 Эксперимент с токамаком Alcator C-Mod в Центре плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института. Обзор с изображением самого устройства (под бетонным экраном) и диагностики в окружающем отсеке. | |
| Тип устройства | Токамак |
|---|---|
| Место расположения | Кембридж , Массачусетс , США |
| Принадлежность | Центр плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института |
| Технические характеристики | |
| Большой радиус | 0,68 м (2 фута 3 дюйма) |
| Малый радиус | 0,22 м (8,7 дюйма) |
| Объем плазмы | 1 м 3 |
| Магнитное поле | 3–8 Т (30 000–80 000 G) (тороидальный) |
| Плазменный ток | 0,4–2,0 МА (номинал) |
| История | |
| Год (ы) эксплуатации | 1991–2016 гг. |
| Предшествует | Алкатор С |
Alcator C-Mod был токамаком (тип термоядерного устройства с магнитным замком ), который работал с 1991 по 2016 год в Центре плазменных исследований и синтеза (PSFC) Массачусетского технологического института (MIT ). Известный своим высоким тороидальным магнитным полем (до 8 Тесла ), Alcator C-Mod удерживает мировой рекорд по среднему по объему давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным удержанием. [1] До своего закрытия в 2016 году он был одним из основных исследовательских центров термоядерного синтеза в Соединенных Штатах.
Alcator С-Mod был третьим из Alcator ( Al к Са MPO Tor O , Высокое поле тора) токамак серии, после Alcator А (1973-1979) и Alcator B (1978-1987). Это был самый большой термоядерный реактор, которым управлял любой университет, и он был неотъемлемой частью более крупного Центра плазменных исследований и термоядерного синтеза.
История [ править ]
Алкатор А [ править ]
В конце 1960-х годов исследования термоядерного синтеза с магнитным удержанием в Массачусетском технологическом институте проводились в рамках небольших «настольных» экспериментов в Исследовательской лаборатории электроники и Лаборатории магнитов Фрэнсиса Биттера . В то время в Советском Союзе разрабатывался токамак (хотя в Соединенных Штатах он был неизвестен), а Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) разрабатывала стелларатор .
Бруно Коппи работал в Институте перспективных исследований при Принстонском университете и интересовался основной проблемой физики плазмы - удельным сопротивлением плазмы при высоких значениях параметра потока , а также поведением плазмы, удерживаемой магнитным полем, при очень высоких значениях напряженности поля (≥ 10 Т). В 1968 году Коппи принял участие в третьей Международной конференции МАГАТЭ по физике плазмы и исследованиям управляемого ядерного синтеза в Новосибирске . На этой конференции советские ученые объявили, что они достигли температуры электронов более 1000 эВ в устройстве токамак ( Т-3 ).
В том же году Коппи был назначен профессором факультета физики Массачусетского технологического института . Он немедленно сотрудничал с инженерами из Лаборатории магнитов Фрэнсиса Биттера , возглавляемой Брюсом Монтгомери, для разработки компактного (большой радиус 0,54 м) высокопольного (10 Тл по оси) токамака, который он назвал Alcator . Название является аббревиатурой от итальянского Al до Ca mpo Tor o , что означает «тор сильного поля». После создания Alcator C, а затем Alcator C-Mod, оригинальный Alcator был задним числом переименован в Alcator A.
Alcator был одобрен Комиссией по атомной энергии (AEC) в 1970 году и впервые был введен в эксплуатацию в 1972 году. Проблемы с производительностью (некачественный вакуум и искрение в магнитах с тороидальным полем) привели к перестройке машины в 1973–1974 годах с новой вакуумной камерой. Результаты научных исследований начались в 1974 году. Алкатор A питался от электродвигателей-генераторов постоянного тока Bitter Laboratory мощностью 32 МВт и был первым токамаком в мире, в котором для омического привода и нагрева использовался трансформатор с воздушным сердечником.
Alcator B и C [ править ]
Успех Alcator A привел к концептуальному проектированию, начиная с 1975 г., более крупной машины под названием Alcator B. Однако двигатели-генераторы, используемые для Alcator A, были недостаточно мощными, чтобы приводить в движение новую машину, что потребовало покупки и установки новой машины. источники питания, расходы, которые Управление энергетических исследований и разработок (ERDA) не желало финансировать. Однако ERDA с энтузиазмом отнеслась к созданию еще одного Alcator, и решение было найдено: генератор переменного тока мощностью 225 МВА был подарен Массачусетскому технологическому институту компанией Con Ed с завода на Ист-Ривер в Нью-Йорке. Концептуальный дизайн был изменен, чтобы приспособить к другому блоку питания, и проект был переименован в Alcator C.
Alcator C был официально авторизован в 1976 году. В этом же году Центр плазменного синтеза (ныне Центр плазменных исследований и синтеза) был выделен из лаборатории Фрэнсиса Биттера. Строительство Alcator C шло быстро, и первые испытания были проведены в конце 1977 года. Генератор переменного тока прибыл из Кон-Эд в начале 1978 года (его транспортировка была затруднена из-за метели 1978 года ) и был включен в систему летом 1978 года. операции начались в сентябре того же года.
Alcator C был более крупной машиной ( R 0 = 0,64 м) и работал в более высоком поле ( B 0 ≤ 13 Тл), чем Alcator A. С добавлением 4 МВт низкогибридного нагрева в 1982 году были достигнуты температуры электронов более 3,0 кэВ. . В то время как Alcator C изначально не имел ожидаемого времени удержания энергии, из-за начала турбулентности градиента температуры ионов при высоких значениях , для получения профилей пиковой плотности и значений произведения n τ более 0,8 × 10 20 с использовалась заправка топливом таблеток. · М −3 были достигнуты в 1983 году.
Необеспеченные идеи и предложение C-Mod [ править ]
Несколько идей для новых устройств и обновлений в PSFC так и не были профинансированы. С 1978 по 1980 год велась работа по проектированию Alcator D, более крупной версии Alcator C, которая позволила бы увеличить мощность нагрева и, возможно, даже дейтериево-тритиевую (D-T) работу. Этот проект никогда официально не предлагался Министерству энергетики (DOE), но продолжал развиваться под руководством Коппи, в конечном итоге превратившись в итальянско-российское устройство IGNITOR, которое планировалось построить в ТРИНИТИ недалеко от Троицка , Россия.
В 1982 году было задумано еще одно более амбициозное устройство под названием Alcator DCT. Эта машина будет иметь сверхпроводящие катушки, производящие 7 Тл на оси. Электропривод с пониженным гибридным током мощностью 4 МВт будет приводить в действие установившуюся плазму с током плазмы 1,4 МА. Поскольку этот дизайн был похож на французский Tore Supra , в 1983 году в Кадараше был проведен совместный франко-американский семинар для сравнения двух дизайнов и обмена идеями. Alcator DCT был официально предложен Министерству энергетики в конце 1983 г., но не получил финансирования.
В то время бюджет на исследования в области магнитной термоядерной энергии в Соединенных Штатах увеличивался из года в год, достигнув пика в 468,4 миллиона долларов в 1984 финансовом году. В том же году PSFC была уведомлена о том, что какое-то время бюджеты будут сокращаться. , а политика Министерства энергетики будет заключаться в финансировании только модернизации существующих устройств, а не новых машин. Таким образом, были начаты работы по проектированию машины с медной обмоткой, в которой будут повторно использоваться некоторые блоки питания от Alcator C, что позволило команде представить его как «модификацию» Alcator C. Концептуальный дизайн был завершен, и Alcator C-Mod был разработан. официально предложено Министерству энергетики в конце 1985 года. Проект был одобрен, и строительство было санкционировано в 1986 году.
Характеристики [ править ]
Нагрев и текущий привод [ править ]
Alcator C-Mod использует нагрев в ионном циклотронном диапазоне частот (ICRF) в качестве основного вспомогательного источника нагрева. Частота источника составляет 80 МГц, и стандартные сценарии нагрева меньшинства - D (H) для 4,4–6,9 Тл и D (3He) для работы в сильном поле (7,3–8,0 Тл). [2] Указывается меньшинство (водород или He3), и в сценариях ICRH используется двухкомпонентная плазма.
Эффективность абсорбции зависит от концентрации меньшинства. Также можно переключаться между неосновным нагревом и нагревом с преобразованием режима (MC), варьируя концентрацию неосновных частиц. Относительную долю H можно сканировать примерно от 2 до 30% с помощью напуска газа и измерять с помощью пассивной перезарядки. [2] Относительную концентрацию фракции He3 также можно сканировать с примерно 2–30% с помощью напуска газа. Фазово-контрастное изображение (PCI) можно использовать для измерения обменных волн прямо в плазме.
Подогрев меньшинств [ править ]
Подогрев в меньшинстве - наиболее распространенный сценарий, используемый в C-Mod. Система нагрева ICRF работает на частоте 80 МГц в плазме D (H). Эта частота соответствует осевому неосновному циклотронному резонансу протонов при 5,3 Тл и поглощению быстрых волн неосновными частицами водорода в дейтериевой плазме. Он может быть очень эффективным (типичное однопроходное поглощение в C-Mod составляет 80–90% для неосновных концентраций 5–10%). [3] Неосновной нагрев на частоте 80 МГц и 7,9 Тл в плазме, в которой преобладает дейтерий, достигается с помощью неосновного резонанса He3 (на оси), но однопроходное поглощение неосновными ионами He3 в дейтерии обычно намного ниже, чем для протонов [3] (например, сценарий неосновного отопления на 5,3–5,4 Тл).
Режим преобразования нагрева [ править ]
Преобразование режима быстрой магнитозвуковой волны в ионную циклотронную волну и ионную волну Бернштейна в ионно-циклотронном диапазоне частот (ICRF) можно использовать для нагрева электронов. Нагрев с преобразованием режима осуществляется в C-Mod с использованием ICRF в плазме D (3He). [2]
Нижний гибридный токовый привод [ править ]
Нижний гибридный токовый привод (LHCD) (на основе нижнегибридных колебаний ) используется для дополнения тока, подаваемого омическим трансформатором . Система LHCD способна поставлять микроволновую мощность 1,0+ МВт (запланированное обновление до 2 МВт или более с добавлением второй антенны в 2013 году [ требуется обновление ] ) в плазму на частоте 4,6 ГГц. Мощность обеспечивается 250 кВт клистрона СВЧ усилителей , изготовленных CPI, Inc. Non - индуктивнойДостигнута работа с импульсами до 0,5 с при 500 кА. Нижнегибридные волны запускаются преимущественно в направлении, противоположном току плазмы (то есть в направлении движения электронов), и передают энергию электронам, движущимся со скоростью, примерно в три раза превышающей тепловую, за счет затухания Ландау . Основная область исследований LHCD была в области возбуждения тока при высоких плотностях (n e > 10 20 м -3 ), необходимых для термоядерной электростанции.
2013–2016: Заключительные операции и останов [ править ]
Alcator C-Mod планировалось закрыть в октябре 2013 года. Тем не менее, в сводном законопроекте Конгресса о расходах от 2014 года прямо оговаривается работа эксперимента, предусматривающая 22 миллиона долларов. Экспериментальная эксплуатация была возобновлена в феврале 2014 года.
Финансирование было снова продлено на 2015 финансовый год, хотя в сводном законопроекте, который предусматривал финансирование, прямо говорилось, что финансирование не будет предоставляться после 2016 финансового года. [4] [5]
В 2016 году Alcator C-Mod установил мировой рекорд по давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным замком, достигнув 2,05 атмосферы, что на 15 процентов больше предыдущего рекорда в 1,77 атмосферы (также установленного Alcator C-Mod). Эта рекордная плазма имела температуру 35 миллионов градусов по Цельсию, длилась 2 секунды и дала 600 триллионов реакций синтеза. [6] В опыте использовалось тороидальное магнитное поле 5,7 тесла. Он достиг этого рубежа в последний день своей работы. [7]
После завершения операций в конце сентября 2016 года установка была переведена в режим безопасной остановки, и в настоящее время не планируется никаких дополнительных экспериментов. Существует множество архивных данных за более чем 20 лет работы, а экспериментальные и теоретические группы продолжают анализировать результаты и публиковать их в научной литературе. [8]
Рекорд давления плазмы Alcator C-Mod в 2,05 атмосферы, вероятно, сохранится в течение некоторого времени. Единственная строящаяся машина, которая, по прогнозам, побьет этот рекорд, - это токамак ИТЭР во Франции. Ожидается, что ИТЭР не будет полностью готов к эксплуатации до 2032 года, а это означает, что рекорд Alcator C-Mod будет сохраняться в течение 15 лет, если до этого времени не будет построено другое новое устройство. [1]
Ссылки [ править ]
Источники [ править ]
- "Хроники Алкатора, или: Что случилось с Алкатором Б?" Р. Паркер, презентация на IAP 2011. Доступно онлайн в библиотеке MIT PSFC
- Bonoli et al. Phys. Плазма, Vol. 7, No. 5, май 2000 г.
Сноски [ править ]
- ^ a b "Новый рекорд фьюжн" . Центр науки о плазме и термоядерного синтеза. 14 октября 2016 . Проверено 5 марта 2018 .
- ^ a b c Wukitch et al. Прибыль на акцию 1998 г.
- ^ а б Порколаб и др. п. 79, cP485, Radio Frequency Power in Plasmas, под редакцией С. Бемабей и Ф. Паолетти (1999)
- ^ «Бюджет Fusion 2015: Законопроект Omnibus принят, бюджет Fusion живет, чтобы бороться еще один год» .
- ^ "Информация о бюджете на 2013 финансовый год и отключении Alcator C-Mod" . Архивировано из оригинала на 2012-03-04.
- ^ АНДРЕЙ, МИХАЙ (2016-10-17). «Новый рекорд приближает нас к термоядерной энергии» . ZME Science . Проверено 18 октября 2016 .
- ^ Франко, Майкл (14 октября 2016 г.). «Под давлением: установлен новый мировой рекорд на пути к ядерному синтезу» . newatlas.com . Проверено 18 октября 2016 .
- ^ http://www.psfc.mit.edu/research/topics/alcator-c-mod-tokamak
Внешние ссылки [ править ]
- Официальный веб-сайт
