Принстонский Большой Тор

PLT

Принстонский Большой Тор
PLT в 1975 году. Тороидальные катушки показаны зеленым цветом.
Тип устройства	Токамак
Место расположения	Принстон , Нью-Джерси , США
Принадлежность	Принстонская лаборатория физики плазмы
Технические характеристики
Большой радиус	1,32 м (4 фута 4 дюйма)
Малый радиус	0,4 м (1 фут 4 дюйма)
Магнитное поле	4 т (40000 г)
Мощность нагрева	5  МВт ( ICRH ) 3  МВт ( NBI ) 1  МВт ( левая )
Плазменный ток	700  кА
История
Дата (даты) строительства	1972 [1]
Год (ы) эксплуатации	1975–1986
Предшествует	Симметричный токамак (ST)
Преемник	Термоядерный испытательный реактор Токамак (TFTR)
Связанные устройства	Адиабатический тороидальный компрессор (ATC)

Princeton Large Torus (или PLT ), был одним из первого токамака построен в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Это был один из первых крупномасштабных токамаков и один из самых мощных с точки зрения силы тока и магнитных полей. Первоначально построенный для демонстрации того, что более крупные устройства будут иметь лучшее время удержания, позже он был модифицирован для нагрева плазменного топлива , что является требованием любого практического устройства для термоядерной энергии .

Токамак стал предметом серьезного обсуждения в 1968 году, когда Советы опубликовали новые данные, показывающие, что он намного лучше любого другого термоядерного устройства. Это вызвало значительный скептицизм среди других исследователей, и потребовалось некоторое время, прежде чем PPPL убедили преобразовать свой стелларатор модели C в конфигурацию токамака. Это сразу подтвердило советские результаты. Следующим шагом в разработке системы будет создание более крупной машины для проверки теории времени удержания плазмы, масштабируемой, как и ожидалось. PLT не только был больше, но и имел значительно более высокие внутренние плазменные токи, порядка 1 МА. ^{[2] : 214}

Другая проблема с подходом токамака заключается в том, что он не нагревает напрямую свое топливо до требуемых температур, превышающих 50 миллионов  Кельвинов . Примерно в то время, когда строился PLT, Окриджская национальная лаборатория успешно внедрила концепцию инжекционного нагрева нейтральным пучком , или NBI. NBI был добавлен в PLT, и он начал устанавливать рекорд за рекордом, в конечном итоге достигнув 75 миллионов К, что намного превышает минимум, необходимый для практического термоядерного устройства. Его успех был предметом споров в недавно созданном Министерстве энергетики (DOE), который в то же время стремился сократить бюджет термоядерного синтеза. Это привело к так называемому «уик-энду PLT», когда пресса узнала об успехе, и Министерство энергетики попыталось его преуменьшить.

Успех PLT положил начало планам по созданию еще большей машины, способной достичь безубыточности - долгожданной цели в области термоядерной энергии. Эта система получила название Tkamak Fusion Test Reactor , или TFTR. Первоначально планировалось построить в Ок-Ридже, но благодаря успеху PTL также выиграл конкурс TFTR.

История [ править ]

Уныние [ править ]

Когда в начале 1950-х годов физика ядерного синтеза была впервые поставлена ​​на прочную основу, была быстро создана цепочка предложенных устройств для использования этой энергии. Все они были направлены на решение проблемы содержания плазменного топлива, которое было нагрето как минимум до 50 миллионов  Кельвинов , которое могло бы расплавить любое вещество. Уловка, используемая большинством этих устройств, заключалась в манипулировании плазмой с помощью магнитных полей ; поскольку плазма состоит из свободных электронов и ионов , она может нести электрический ток и подвергаться действию магнитных сил.

Основываясь на простой теории диффузии плазмы , количество времени, которое требуется иону, чтобы покинуть магнитную бутылку, зависит от ее размера и квадрата мощности ее магнитов. Это означает, что более крупные машины по своей природе будут лучше ограничивать свое топливо, как потому, что им нужно идти дальше, чтобы выбраться, так и потому, что в более крупных машинах могут быть установлены более крупные и мощные магниты. Следствием этого является то, что небольшие машины могут рассказать вам не так много о характеристиках конструкции в масштабе, необходимом для практического реактора; нужно было бы построить машину среднего размера и сравнить скорость утечки плазмы, чтобы убедиться, что она соответствует ожидаемому масштабированию. На этот счет изначально были некоторые сомнения; единственный прямой опыт с плазмой показал гораздо более высокую скорость утечки, которая была линейной с магнитным полем. Если бы эта диффузия Бома была верной, практический термоядерный реактор, вероятно, был бы невозможен.

Из многих ранних предложений на первый план вышли три системы: магнитное зеркало , z-пинч и стелларатор . Ранние примеры всех этих машин продемонстрировали, что они могут ограничивать плазму на уровне, ожидаемом от маленькой машины. Исключением был крайний предел, который продемонстрировал очевидную нестабильность, с которой удалось справиться с помощью новых магнитов. Эти небольшие устройства привели к появлению более крупных и мощных версий тех же концепций. Это неизменно не помогало улучшить удержание плазмы, что приводило к утечке топлива с неприемлемыми темпами. Исследования привели к ряду недавно обнаруженных врожденных нестабильностей, которые, казалось, были встроены во все эти конструкции.

На первом международном совещании по термоядерному синтезу в 1958 году стало ясно, что все устройства страдают от этих проблем. К началу 1960-х годов вся отрасль погрузилась в то, что стало известно как «депрессивное состояние». Даже Лайман Спитцер , один из величайших сторонников синтеза, пришел к выводу, что диффузия Бома является фундаментальным пределом.

Токамак [ править ]

На аналогичном совещании в 1965 году советская команда представила предварительные результаты на устройстве, которое они назвали токамаком . Физически это было очень похоже на концепцию z-пинча, которая была широко разработана Великобританией в устройстве ZETA и оказалась не более полезной, чем другие ранние системы, страдающие от нестабильности. Напротив, казалось бы, незначительное изменение Советского Союза, по-видимому, дает значительно лучшие результаты, примерно в 10 раз превышающие предел Бома. Их претензии были сразу отклонены, особенно Спитцером.

На следующей встрече в 1968 году Советы представили гораздо больше данных, и все они продемонстрировали, что их машины производят время удержания в 10-100 раз лучше, чем любое другое устройство. И снова эти результаты были встречены скептицизмом. Однако на этот раз Советы были готовы. Британская команда, работающая над ZETA, представила новую диагностическую технику с использованием лазеров, которые Лев Арцимович назвал «блестящими». Он пригласил команду из Великобритании в их лабораторию, сердце советского предприятия по изготовлению бомб, для проведения собственных измерений. К лету 1969 года лазер показал, что токамак даже лучше, чем предполагали советские результаты. ^[3] Они позвонили на встречу американских исследователей термоядерного синтеза в августе и рассказали им эту новость до того, как она была опубликована в ноябре.

Вначале в США не было большого движения, поскольку каждая из лабораторий имела свои собственные проекты, которые, по их мнению, были более интересными. Руководители термоядерной программы в Комиссии по атомной энергии (AEC) были заинтересованы хотя бы в подтверждении или опровержении советских результатов, но обнаружили, что лаборатории не заинтересованы в такой работе. В частности, AEC посчитал, что будет легко преобразовать стелларатор Princeton Model C в токамак, но директор лаборатории Гарольд Фурт отказался даже рассматривать его, сразу отвергнув советские претензии. ^[4] Только Национальная лаборатория Окриджапроявил какой-либо интерес; у них не было в планировании других крупномасштабных устройств, и они были готовы попробовать токамак. Как только было объявлено о планах на этот счет, босс Фюрта Мелвин Б. Готлиб беседовал с Фёртом в обеденный перерыв. Двое вернулись с обеда, чтобы описать, как преобразовать Model C. ^[3]

Преобразование началось в сентябре 1969 года и было завершено через восемь месяцев после переименования в симметричный токамак. ^[5] Это сразу подтвердило советские результаты. Наконец выяснилось, что устойчивая конфигурация плазмы возможна, и путь к практической термоядерной энергии был внезапно открыт.

Программа развития [ править ]

Успех в удержании плазмы в небольших машинах оставил ряд вопросов, на которые необходимо было ответить. Во-первых, масштабирование токамака соответствовало ожиданиям; Чтобы проверить это, потребуется машина большего размера с более высокими внутренними токами и магнитными полями. Другой вопрос - как нагреть плазму; токамак не обладал сколько-нибудь значительным самонагревом, поэтому потребовалось бы какое-то внешнее обогревание. ^[6] Наконец, потребуется некоторая система для извлечения примесей из плазмы, как из исходного неочищенного топлива, так и для удаления «термоядерной золы» - результатов успешных реакций.

Из трех вопросов наиболее очевидным было извлечение примесей. Давно поняли, что использование модифицированного масс-спектрометра позволит удалить более тяжелые ионы. Они были известны как диверторы, и стеллараторы Принстона были одними из первых машин, которые их использовали. Стиль дивертора на стеллараторах не был идеальным для токамака, но Princeton уже решил эту проблему в рамках своей машины Floating Multipole-1, которая до токамака была одним из немногих других устройств, демонстрирующих время удержания сверх предел Бома. Чтобы проверить, будет ли их полоидальный дивертер работать в конфигурации токамака, начались планы по созданию новой небольшой машины, эксперимента по полоидальному дивертору или PDX. ^[7]

Другой проблемой было отопление, поскольку существовало много разных концепций, как это сделать. В стеллараторе также отсутствовал саморазогрев, и для решения этой проблемы Принстон проводил эксперименты с использованием нагрева с помощью ионного циклотронного резонанса . Здесь используются мощные радиопередатчики, настроенные на частоту вращения ионов, нагревая их аналогично тому, как микроволновая печь нагревает молекулы воды. Поскольку эта технология была уже хорошо изучена, Принстон предложил небольшую испытательную машину, чтобы опробовать другой подход к нагреву с использованием сжатия плазмы, как и более ранние пинч-машины, в системе, известной как адиабатический тороидальный компрессор (ATC). Другие концепции включали использование турбулентности в плазме и инжекцию горячих ионов в топливо с использованием небольшихускорители частиц . ^[6]

Наконец, для проверки масштабирования потребуется машина большего размера с гораздо более мощными магнитами и внутренними токами. Первоначально это было основной целью Princeton Large Torus, но были сделаны допущения, что новые формы нагрева могут быть добавлены к машине без серьезных сбоев. Дизайн был завершен в начале 1971 года, а строительство началось позже в том же году.

PLT [ править ]

Ок-Ридж некоторое время рассматривал проблему нагрева и начал экспериментировать с системой, которая напрямую впрыскивала горячее топливо в их зеркальные реакторы. ^[8] Когда были объявлены советские результаты, они начали думать, как сделать то же самое с токамаком. Их ранние расчеты не были многообещающими, но визит Баса Пиза из британской термоядерной лаборатории Калхэма побудил их продолжить этот подход. Поскольку эти проекты не были хорошо поняты, по крайней мере, на западе, предложенная двухэтапная программа. На первом этапе ORMAK-1 будет дублировать результаты советской машины TM-3, но с целью улучшения симметрии поля с помощью огромного трансформатора. На втором этапе ORMAK-2 добавит обогрев нейтральным лучом.

Именно в этот момент, в июне 1970 года, симметричный токамак начал сообщать о первых результатах. Обеспокоенные тем, что их «сгребут», команда Oak Ridge решила адаптировать клетку трансформатора ORMAK-1 в качестве основы для гораздо большего токамака и немедленно добавить NBI. Их машина была завершена к концу 1970 года, но ввод ее в эксплуатацию занял большую часть 1971 года, и первые результаты по физике не были получены до начала 1972 года. К 1973 году машина работала достаточно хорошо, и в лаборатории начали планировать добавление инжекторов NBI. Оказалось, что Ок-Ридж стал лидером в разработке токамаков.

PPPL не желала отказываться от своей позиции лидера и быстро разработала план по добавлению NBI в PLT.

На веб-сайте PPPL говорится: ^[9]

1975: Princeton Large Torus (PLT) начинает работу 20 декабря. Ожидается, что эксперименты с PLT дадут четкое представление о том, может ли концепция токамака плюс дополнительный нагрев стать основой для будущего термоядерного реактора.

1978: В июле PLT устанавливает мировой рекорд по ионной температуре 60 миллионов градусов Цельсия с использованием нагрева нейтральным лучом. Впервые температура ионов превышает теоретический порог воспламенения в устройстве токамак.

1981: PLT создает первый разряд токамака, в котором плазменный ток полностью управляется нижнегибридными радиочастотными волнами.

1984: PLT использует ионно-циклотронный радиочастотный нагрев для получения температуры ионов 60 миллионов градусов Цельсия, что является рекордом для этого метода.

Сведения об устройстве [ править ]

• Большой / малый радиус (м): 1,32 / 0,4 ^[10] Примечание: малый радиус может изменяться
• Тороидальное поле: 4 Тесла ^[10]
• Полоидальное поле:
• Длительность импульса :
• Ток плазмы: 700 кА ^[10]
• Ионный циклотронный нагрев  : 5 МВт ^[10]
• Инжекция нейтрального луча (NBI): 3 МВт ^[10]
• Нижний гибридный токовый привод (LH): 1 МВт ^[10] говорит: «В значительной степени копия российского Т-10, но с добавлением систем NBI и LH. Продемонстрированный токовый привод от пробоя LH, но этот LH эффективен только при низкой плотности. плазмы. Изменяемый малый радиус за счет регулировки положения ограничителя. Первая машина для достижения тока плазмы в 1 мА. Металлические ограничители заменены углеродными ограничителями ... около 1978 г. "

Дальнейшее чтение [ править ]

ВЧ нагрев:

• Нагрев быстрыми волнами ...
• Hammett

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

Библиография [ править ]

• Хеппенгеймер, Томас (1984). Искусственное солнце: поиски термоядерной энергии . Маленький, Браун. ISBN 9780316357937.
• Робертс, Майкл (зима 1974). «Рождение ОРМАК: личное воспоминание» (PDF) . Обзор ORNL .

Внешние ссылки [ править ]

• СМИ, связанные с Princeton Large Torus на Викискладе?