Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

JET
Совместный европейский тор
JointEuropeanTorus external.jpg
JET в 1991 году
Тип устройстваТокамак
Место расположенияОксфордшир , Великобритания
ПринадлежностьКалемский центр термоядерной энергии
Технические характеристики
Большой радиус2,96 м (9 футов 9 дюймов)
Малый радиус1,25 м (4 фута 1 дюйм)
Объем плазмы100  м 3
Магнитное поле3,45 Тл (34,500 Гс) (тороидальный)
Мощность нагрева38  МВт
Плазменный ток3,2  МА (круговая),
4,8  мА (D-образная)
История
Год (ы) эксплуатации1984 – настоящее время

Joint European Torus или JET , является рабочим магнитным удержанием физики плазмы эксперимент, расположенный в Калэмской Центра Fusion Energy в графстве Оксфордшир , Великобритания . Основанный на конструкции токамака , исследовательский центр термоядерного синтеза представляет собой совместный европейский проект, главная цель которого - открыть путь к будущей энергосистеме ядерного синтеза . Когда началась разработка JET, это была самая большая машина в производстве. [1]

JET был построен с надеждой на достижение научной безубыточности при «коэффициенте усиления энергии термоядерного синтеза» или Q = 1.0. [2] Он начал работу в 1983 году и большую часть следующего десятилетия потратил на повышение своей производительности в ходе длительной серии экспериментов и обновлений. В 1991 году были проведены первые эксперименты с использованием трития , в результате чего JET стал первым в мире реактором, работающим на производственном топливе, состоящем из смеси трития и дейтерия в количестве 50–50 единиц . Было также решено добавить такую ​​конструкцию отводящего устройства к JET, которое произошло в период с 1991 по 1993 год. Производительность была значительно улучшена, и в 1997 году JET установил рекорд по наиболее близкому подходу к научной безубыточности, достигнув Q= 0,67 в 1997 г., что дает 16 МВт термоядерной мощности при вводе 24 МВт тепловой энергии для нагрева топлива. [3]

В период с 2009 по 2011 год JET был закрыт для восстановления многих частей JET, чтобы перенять концепции, используемые при разработке проекта ИТЭР в Сен-Поль-ле-Дюранс , в Провансе , на юге Франции. [4]

История [ править ]

Фон [ править ]

К началу 1960-х сообщество исследователей термоядерного синтеза находилось в «упадке». Многие изначально многообещающие экспериментальные пути не дали полезных результатов, и последние эксперименты показали, что производительность застопорилась на диффузионном пределе Бома , намного ниже того, что было бы необходимо для практического термоядерного генератора. [5]

В 1968 году Советский Союз провел периодическое собрание исследователей термоядерного синтеза в Новосибирске , на котором они представили данные со своего токамака Т-3. Это означало резкий скачок в производительности термоядерного синтеза, по крайней мере, в 10 раз больше, чем на тот момент производили лучшие машины в мире. Результаты были настолько хороши, что некоторые сочли их ошибочными. Чтобы противостоять этому, Советы пригласили команду из Великобритании для независимых испытаний своей машины. Их отчет 1969 года подтвердил советские результаты, приведшие к «настоящей давке» строительства токамаков по всему миру. [6] [7]

Ключевой проблемой в конструкции токамаков было то, что они не генерировали достаточного электрического тока в своей плазме, чтобы обеспечить достаточный нагрев, чтобы привести топливо в условия термоядерного синтеза. Потребуется какое-то внешнее отопление. Для этого не было недостатка в идеях, и в середине 1970-х годов по всему миру была построена серия машин для исследования этих концепций. Один из них, Princeton Large Torus (PLT), продемонстрировал, что инжекция нейтрального пучка является работоспособной концепцией, используя ее для достижения рекордных температур, намного превышающих 50 миллионов К, что является минимумом, необходимым для практического реактора. [8]

С успехом PLT путь к научной безубыточности наконец стал возможным после десятилетий усилий. Научная безубыточность - это точка, в которой мощность, производимая реакциями термоядерного синтеза, равна количеству энергии, вводимой для нагрева плазмы. После достижения безубыточности даже небольшие улучшения с этого момента начинают быстро увеличивать количество высвобождаемой чистой энергии. Команды по всему миру начали планировать новое поколение машин, сочетающих инжекторы PLT со сверхпроводящими магнитами и вакуумными сосудами, которые могли бы содержать дейтерий-тритиевое топливо вместо тестового топлива, содержащего чистый дейтерий или водород, которое использовалось до того момента. [9]

Европейский дизайн [ править ]

Дизайн JET

В 1971 году Совет Европейского сообщества принял решение в пользу надежной программы термоядерного синтеза и обеспечил необходимую правовую основу для разработки европейского термоядерного устройства. [10] В 1975 году были завершены первые предложения по машине JET. На детальное проектирование ушло три года. [11] В конце 1977 года, после долгих дебатов, Калхэм был выбран местом размещения нового дизайна. Финансирование было утверждено 1 апреля 1978 года как юридическое лицо "Совместное предприятие JET". [12]

Реактор был построен на новом месте рядом с Калэмским Центром Fusion Energy , слитые исследовательской лаборатория Великобритании , который был открыт в 1965 г. Строительство зданий было проведено Tarmac строительство , [13] , начиная с 1978 годом с Торусом Hall. Зал был завершен в январе 1982 года, и строительство самой машины JET началось сразу после завершения строительства Зала Torus. [12] Стоимость составила 198,8 миллионов европейских расчетных единиц (предшествующих евро) [14] или 438 миллионов в долларах США 2014 года. [15]

JET был одним из двух токамака моделей , предназначенных для работы с реальным дейтерий - тритий топливной смеси, другой являющийся США сложенный TFTR . Оба были построены с надеждой достичь научной безубыточности, где «коэффициент усиления энергии термоядерного синтеза» или Q = 1,0. [16] [17] [18] [2]

JET выпустил свою первую плазму 25 июня 1983 года. [12] Он был официально открыт 9 апреля 1984 года королевой Елизаветой II . [19] 9 ноября 1991 года JET провел первый в мире дейтерий-тритиевый эксперимент. [20] Это на целых два года превзошло американскую машину TFTR. [21]

Обновления [ править ]

Несмотря на свои успехи, JET и его аналог TFTR не смогли достичь научной безубыточности. Это было связано с множеством эффектов, которые не наблюдались в предыдущих машинах, работающих при более низких плотностях и давлении. На основе этих результатов и ряда достижений в области формирования плазмы и конструкции отклонителя возникла новая компоновка токамака, иногда известная как «усовершенствованный токамак». Усовершенствованный токамак, способный обеспечить научную безубыточность, должен быть очень большим и очень дорогим, что привело к международным усилиям ITER . [22]

В 1991 году были проведены первые эксперименты с использованием трития , что позволило JET работать на производственном топливе, состоящем из 50–50 смесей трития и дейтерия . [4] В то же время было решено добавить дивертер, позволяющий удалять отходы из плазмы. [23] Производительность была значительно улучшена, что позволило JET установить множество рекордов с точки зрения времени удержания, температуры и тройного продукта плавления . В 1997 году JET установил рекорд по максимально приближению к научной безубыточности, достигнув Q = 0,67 в 1997 году, производя 16 МВт термоядерной энергии, одновременно подавая 24 МВт тепловой энергии для нагрева топлива. [24] Это также рекорд по выработке максимальной мощности термоядерного синтеза.[25] [26]

В 1998 году инженеры JET разработали систему дистанционного управления, с помощью которой впервые стало возможным заменять определенные компоненты только с помощью искусственных рук. Система «дистанционного управления», как правило, является важным инструментом для любой последующей термоядерной электростанции и особенно для Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), разрабатываемого в Сен-Поль-ле-Дюранс , в Провансе , на юге Франции. Позднее эта система удаленного управления стала RACE (Удаленные приложения в сложных средах) . [27]

В 1999 г. было подписано Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA), в соответствии с которым в будущем будет использоваться JET. [28]

Проектные работы ИТЭР [ править ]

В октябре 2009 года был начат 15-месячный период останова для восстановления многих частей реактивного двигателя реактивного двигателя с учетом концепций проекта ИТЭР. Это в том числе замена углеродных компонентов в вакуумной камере на вольфрамовые и бериллиевые . [29]

В середине мая 2011 года остановка подошла к концу. [30] Первая экспериментальная кампания после установки «ITER-подобной стены» началась 2 сентября 2011 года. [31]

14 июля 2014 года Европейская комиссия подписала контракт на сумму 283 млн евро на еще одно пятилетнее продление, чтобы в JET можно было проводить более продвинутые исследования в области более высоких энергий. [32]

Будущее [ править ]

Brexit поставил под сомнение планы JET. В рамках своего плана по выходу из ЕС Великобритания также выйдет из Евратома, который обеспечивает финансирование JET. [33] Переговоры о финансировании после 2018 года, когда истекает текущий пятилетний план, продолжались, и новое соглашение о продлении деятельности JET до 2019 или 2020 года, похоже, в основном завершено. Эти переговоры были приостановлены после объявления Brexit. [10] Однако в марте 2019 года правительство Великобритании и Европейская комиссия подписали продление контракта с JET. [34] Это гарантирует работу JET до конца 2024 года, независимо от ситуации с Brexit. [35]

Описание [ править ]

Внутренний вид токамака JET, наложенный на изображение плазмы, снятое видеокамерой видимого спектра .

JET имеет большой радиус 3 метра, а D-образная вакуумная камера имеет ширину 2,5 метра и высоту 4,2 метра. [36] Общий объем плазмы в нем составляет 100 кубических метров, что примерно в 100 раз больше, чем у самой большой машины, производимой на момент начала проектирования JET. [1]

JET был одним из первых токамаков, в котором использовалась D-образная вакуумная камера. Первоначально это рассматривалось как способ повышения коэффициента безопасности, но во время проектирования было также замечено, что это значительно упростит механическое построение системы, поскольку уменьшит результирующие силы в камере, которые пытаются заставить тор к центру большой оси. В идеале, магниты, окружающие камеру, должны быть более изогнутыми вверху и внизу и меньше внутри и снаружи, чтобы поддерживать эти силы, что приводит к чему-то вроде овальной формы, которую D очень близко аппроксимирует. Более плоскую форму на внутреннем крае было легче поддерживать из-за большей и плоской поверхности. [37]

Изучая стабильность различных форм плазмы на компьютере, команда заметила, что некруглая плазма точно не компенсирует вертикальный дрейф, для решения которого изначально были введены закрученные поля. Если бы плазма сместилась вверх или вниз, она продолжила бы движение в этом направлении. Однако моделирование продемонстрировало, что скорость дрейфа была достаточно низкой, и ей можно было противодействовать с помощью дополнительных магнитов и электронной системы обратной связи. [36]

Первичное магнитное поле в токамаке создается серией магнитов, окружающих вакуумную камеру. В JET это серия из 32 медных магнитов, каждый из которых весит 12 тонн. В общей сложности они пропускают ток 51 МА, и, поскольку они должны были делать это в течение десятков секунд, они охлаждаются водой. При работе катушка пытается расшириться с силой 6 МН , чистое поле по направлению к центру большой оси составляет 20 МН, и дополнительная скручивающая сила, потому что полоидальное поле внутри плазмы находится в разных направлениях на поверхности. Верх и низ. Все эти силы ложатся на внешнюю структуру. [38]

Всю сборку окружает восьмиконечный трансформатор весом 2600 тонн, который используется для наведения тока в плазму. Основная цель этого тока - создать полоидальное поле, которое смешивается с полем, создаваемым тороидальными магнитами, для создания закрученного поля внутри плазмы. Ток также служит вторичной цели ионизации топлива и обеспечения некоторого нагрева плазмы, прежде чем другие системы возьмут на себя управление. [39]

Основным источником нагрева в JET являются две системы: инжекция нейтрального пучка положительных ионов и ионный циклотронный резонансный нагрев. Первый использует небольшие ускорители частиц, чтобы стрелять атомами топлива в плазму, где столкновения заставляют атомы ионизироваться и захватываться вместе с остальным топливом. Эти столкновения передают плазму кинетической энергии ускорителей. Ионно-циклотронный резонансный нагрев - это, по сути, плазменный эквивалент микроволновой печи , использующий радиоволны для накачки энергии непосредственно в ионы, согласовывая их циклотронную частоту.. JET был спроектирован таким образом, чтобы первоначально он был построен с использованием нескольких мегаватт обоих источников, а затем был расширен до 25 МВт нейтральных пучков и 15 МВт циклотронного нагрева. [40]

Потребляемая мощность JET во время плазменного импульса составляет около 500 МВт [41] с пиком, превышающим 1000 МВт. [42] Поскольку потребляемая мощность из основной сети ограничена 575 МВт, для обеспечения этой необходимой мощности были построены два больших генератора с маховиком . [42] Каждый 775-тонный маховик может вращаться до 225 об / мин и сохранять 3,75 ГДж. [43] Каждый маховик потребляет 8,8 МВт для раскрутки и может генерировать 400 МВт (кратко). [42]

См. Также [ править ]

  • Сила термоядерного синтеза

Ссылки [ править ]

  1. ↑ a b Wesson 1999 , стр. 21.
  2. ^ a b «Технические условия» . Евросоюз. п. 28 . Дата обращения 18 июля 2020 .
  3. ^ "Какая мощность необходима для запуска реактора и поддержания его работы?" . EUROfusion .
  4. ^ a b "Совместный европейский тор" . Culham Center Fusion Energy . Дата обращения 18 июля 2020 .
  5. Перейти ↑ Bromberg 1982 , pp. 130-131.
  6. Перейти ↑ Bromberg 1982 , pp. 151.
  7. ^ Kenward 1979 , стр. 627.
  8. ^ Kenward 1979 , стр. 628.
  9. ^ Kenward 1979 , стр. 630.
  10. ^ a b Стефанини, Сара (7 апреля 2017 г.). «Брексит приносит ядерный (против) синтез» .
  11. ^ Опровергать, Поль-Анри. «Первая плазма JET» .
  12. ^ a b c "О запуске JET" . EUROfusion . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  13. ↑ Берри Ричи, История асфальта, стр. 100, опубликовано James & James (Publishers) Ltd, 1999 г.
  14. ^ "Вы искали стоимость - EUROfusion" . EUROfusion . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  15. ^ «Оценка стоимости - результаты» . Архивировано из оригинального 23 мая 2013 года . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  16. Перейти ↑ Wesson 1999 , p. 25.
  17. ^ "ПРОЕКТ JET: проектное предложение для совместного европейского тора" . 1976. с. 25.
  18. ^ "Проект JET" (PDF) . 1975. с. 17.
  19. ^ «Открытие JET 1984» . EUROfusion . Проверено 26 июня +2016 .
  20. ^ Опровергать, PH (1992). «Предварительный тритиевый эксперимент JET». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 34 (13): 1749–1758. DOI : 10.1088 / 0741-3335 / 34/13/002 .
  21. ^ «Празднование 20-летия выстрела трития слышно во всем мире» . PPPL . 9 декабря 2013.
  22. ^ Проект ИТЭР . EFDA, Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (2006 г.).
  23. ^ "Переоборудование термоядерного реактора" . Эврика. 5 сентября 2018 . Дата обращения 18 июля 2020 .
  24. ^ «Вехи во всем мире» . ИТЭР .
  25. ^ "JET" . Калемский центр термоядерной энергии .
  26. ^ "JET" . Culham Center Fusion Energy . Проверено 26 июня +2016 .
  27. ^ "Как мы делаем удаленное обслуживание в JET?" . EUROfusion . Проверено 26 июня +2016 .
  28. ^ «Что такое EFDA» (PDF) . Seccio D'Enginyeria Nuclear . Проверено 26 июня +2016 .
  29. ^ "Проект стены в стиле ИТЭР в JET" . EUROfusion . Проверено 26 июня +2016 .
  30. ^ "JET Shutdown Weekly: Неделя 81: Выключение завершено!" . EUROfusion . 13 мая 2011 . Проверено 11 декабря 2011 года .
  31. ^ "Самый большой в мире термоядерный эксперимент снова в работе" . EUROfusion . 2 сентября 2011 года Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 года . Проверено 11 декабря 2011 года .
  32. ^ «Контракт о совместном европейском Torus подписан» . Проекты Horizon 2000 . Проверено 14 июля 2014 года .
  33. ^ «EUROfusion и Великобритания после Brexit» . EUROfusion . Проверено 26 июня +2016 .
  34. ^ "Будущее JET обеспечено новым европейским контрактом" . GOV.UK . Дата обращения 11 июля 2019 .
  35. ^ «Ядерные исследования, если нет сделки Brexit» . GOV.UK . Дата обращения 11 июля 2019 .
  36. ↑ a b Wesson 1999 , стр. 26.
  37. Перейти ↑ Wesson 1999 , p. 22.
  38. Перейти ↑ Wesson 1999 , p. 31.
  39. Перейти ↑ Wesson 1999 , p. 32.
  40. Перейти ↑ Wesson 1999 , pp. 32-33.
  41. ^ «775 тонн стали» . EUROfusion . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  42. ^ a b c «Источник питания» . EUROfusion . Архивировано из оригинала на 5 января 2016 года . Дата обращения 9 декабря 2015 .
  43. ^ «Неделя 20: эксперименты JET: чувствительны к расписанию телепрограмм» . EUROfusion . Проверено 26 июня +2016 .

Библиография [ править ]

  • Бромберг, Джоан Лиза (1982). Синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . MIT Press. ISBN 978-0-262-02180-7.
  • Кенвард, Майкл (24 мая 1979 г.). «Термоядерные исследования - температура поднимается» . Новый ученый .
  • Вессон, Джон (ноябрь 1999 г.). Наука JET (PDF) . Совместное предприятие JET. п. 20.

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с Joint European Torus на Викискладе?
  • Страницы JET на веб-сайте EURO fusion
    • Полоидальная поле катушка Диаграмма
    • JET демонстрирует нагрев альфа-частиц. Октябрь 2005 г. хороший график
  • Калемский центр термоядерной энергии
  • Управление по атомной энергии Соединенного Королевства
  • Информация МАГАТЭ о JET
  • Фотографии из JET Torus Hall

Источники [ править ]

  • Термоядерные реакторы, объяснения от HowStuffWorks
  • Т. Фуджита и др., «Эксперименты с высокими эксплуатационными характеристиками в разрядах с обратным сдвигом в JT-60U», Nuclear Fusion , Vol 39, p. 1627 (1999)

Координаты : 51 ° 39′33 ″ с.ш., 1 ° 13′35 ″ з.д. / 51,65917 ° с.ш.1,22639 ° з. / 51.65917; -1,22639