Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
TFTR
Термоядерный испытательный реактор Токамак
TFTR 1989.jpg
TFTR в 1989 году
Тип устройстваТокамак
Место расположенияПринстон , Нью-Джерси , США
ПринадлежностьПринстонская лаборатория физики плазмы
Технические характеристики
Большой радиус2,52 м (8 футов 3 дюйма)
Малый радиус0,87 м (2 фута 10 дюймов)
Магнитное поле6,0 Т (60,000 G) (тороидальный)
Мощность нагрева51  МВт
Плазменный ток3  MA
История
Год (ы) эксплуатации1982–1997
ПредшествуетПринстонский Большой Тор (PLT)
ПреемникНациональный эксперимент со сферическим тором (NSTX)
Связанные устройстваJT-60

Токамак Fusion Test Reactor ( TFTR ) был экспериментальный токамак построен в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) около 1980 и ввода в 1982 г. TFTR был разработан с явной целью достижения научной безубыточности , точкой , где тепло освобождения от реакции синтеза в плазме равны или больше, чем нагрев, подводимый к плазме внешними устройствами для ее разогрева. [1] [2]

TFTR никогда не достиг этой цели, но он действительно значительно улучшил время удержания и плотность энергии. Это было первое в мире устройство для магнитного синтеза, которое проводило обширные научные эксперименты с плазмой, состоящей из 50/50 дейтерия / трития (DT), топливной смеси, необходимой для практического производства термоядерной энергии, а также первым, кто производил термоядерную мощность более 10 МВт . Он установил несколько рекордов по выходной мощности, максимальной температуре и тройному продукту плавления .

TFTR был закрыт в 1997 году после пятнадцати лет эксплуатации. PPPL использовал знания TFTR, чтобы начать изучение другого подхода, сферического токамака , в своем Национальном эксперименте со сферическим тором . Японские JT-60 очень похожи на TFTR, в их конструкции заложены ключевые инновации, введенные Сёичи Йошикавой во время его работы в PPPL в 1970-х годах.

Общие [ править ]

В ядерном синтезе есть два типа реакторов, достаточно стабильных для проведения термоядерного синтеза: реакторы с магнитным удержанием и реакторы с инерционным удержанием. Первый метод синтеза направлен на увеличение времени, в течение которого ионы проводят близко друг к другу, чтобы сплавить их вместе, в то время как второй стремится сплавить ионы так быстро, что они не успевают разойтись. В реакторах с инерционным удержанием, в отличие от реакторов с магнитным удержанием, для проведения термоядерного синтеза используется лазерный синтез и термоядерный синтез с ионным пучком. Однако с реакторами магнитного удержания вы избегаете проблемы, связанной с поиском материала, который может выдерживать высокие температуры реакций ядерного синтеза. Нагревательный ток индуцируется изменяющимися магнитными полями в центральных индукционных катушках и превышает миллион ампер.Устройства магнитного синтеза удерживают горячую плазму от контакта со стенками ее контейнера, удерживая ее движение по круговой или винтовой траектории посредством магнитной силы, действующей на заряженные частицы, и центростремительной силы, действующей на движущиеся частицы.[3]

История [ править ]

Токамак [ править ]

К началу 1960-х годов область термоядерной энергии стала настолько большой, что исследователи начали организовывать полугодовые встречи, которые чередовались между различными исследовательскими учреждениями. В 1968 году в Новосибирске состоялось ежегодное собрание , на котором советская делегация удивила всех, заявив, что их конструкции токамаков достигли уровня производительности, по крайней мере, на порядок лучше, чем у любого другого устройства. Первоначально претензии были встречены скептически, но когда в следующем году результаты были подтверждены командой из Великобритании, это огромное продвижение привело к «виртуальной давке» строительства токамаков. [4]

В США одним из основных подходов, изучаемых до этого момента, был стелларатор , разработка которого почти полностью ограничивалась PPPL. Их последняя разработка, Модель C, недавно была запущена в эксплуатацию и продемонстрировала производительность, значительно ниже теоретических расчетов, далеко от полезных цифр. После подтверждения результатов в Новосибирске они сразу же приступили к преобразованию Model C в схему токамака, известную как симметричный токамак (ST). Он был завершен за короткий промежуток времени, всего восемь месяцев, и был введен в эксплуатацию в мае 1970 года. Компьютерная диагностика ST позволила быстро сопоставить результаты с советскими результатами, и с этого момента весь мир термоядерного синтеза все больше внимания уделял этой конструкции, а не любым другим. [5]

PLT [ править ]

В начале 1970-х Сёичи Ёсикава рассматривал концепцию токамака. Он отметил, что по мере того, как размер малой оси реактора (диаметр трубы) увеличивался по сравнению с его большой осью (диаметр всей системы), система становилась более эффективной. Дополнительным преимуществом было то, что по мере увеличения малой оси время удержания улучшалось по той простой причине, что ионам топлива требовалось больше времени, чтобы достичь внешней части реактора. Это привело к повсеместному признанию того, что конструкции с более низким соотношением сторон были ключевым преимуществом по сравнению с более ранними моделями. [2]

Это привело к созданию Princeton Large Torus (PLT), строительство которого было завершено в 1975 году. Эта система была успешной до такой степени, что быстро достигла пределов своей системы омического нагрева, системы, которая пропускала ток через плазму для ее нагрева. Среди множества идей, предложенных для дальнейшего нагрева, в сотрудничестве с Окриджской национальной лабораторией PPPL разработала идею инжекции нейтрального пучка . При этом использовались небольшие ускорители частиц, чтобы впрыскивать атомы топлива непосредственно в плазму, нагревая ее и обеспечивая свежее топливо. [2]

После ряда модификаций системы инжекции пучка, недавно оборудованный PLT начал устанавливать рекорды и в конечном итоге провел несколько тестовых прогонов при температуре 60 миллионов К, что более чем достаточно для термоядерного реактора. Чтобы достичь критерия Лоусона для воспламенения, все, что было необходимо, - это более высокая плотность плазмы, и, казалось, не было никаких причин, по которым это было бы невозможно в более крупной машине. Было широко распространено мнение, что безубыточность будет достигнута в 1970-е годы. [5] [2]

Концепция TFTR [ править ]

Внутри плазменного сосуда TFTR

После успеха PLT и других последующих разработок основная концепция считалась хорошо понятой. PPPL начал разработку гораздо более крупного преемника PLT, который продемонстрировал бы горение плазмы в импульсном режиме. [2]

В июле 1974 года Министерство энергетики (DOE) провело большое собрание, на котором присутствовали представители всех основных термоядерных лабораторий. Заметным среди участников был Маршалл Розенблют , теоретик, имевший привычку изучать машины и находить множество новых нестабильностей, которые разрушили бы ограничения. К всеобщему удивлению, на этой встрече он не высказал никаких новых опасений. Оказалось, что путь к безубыточности был чист. [6]

Последним шагом перед атакой на безубыточность будет создание реактора, работающего на смеси дейтерия и трития , в отличие от более ранних машин, которые работали только на дейтерии. Это произошло потому, что тритий был радиоактивным и легко абсорбировался в организме, что создавало проблемы безопасности, из-за которых его использование было дорогим. Было широко распространено мнение, что производительность машины, работающей только на дейтерии, будет в основном такой же, как у машины, работающей на DT, но это предположение необходимо было проверить. Изучив проекты, представленные на встрече, команда Министерства энергетики выбрала дизайн Princeton. [6]

Боб Хирш , недавно возглавивший руководящий комитет Министерства энергетики, хотел построить испытательную машину в Окриджской национальной лаборатории (ORNL), но другие в отделе убедили его, что было бы разумнее сделать это в PPPL. Они утверждали, что команда из Принстона будет более вовлечена, чем команда ORNL, занимающаяся чьим-то дизайном. Если последует инженерный прототип коммерческой системы, его можно будет построить в Ок-Ридже. Они дали проекту название TFTR и обратились в Конгресс за финансированием, которое было предоставлено в январе 1975 года. В течение 1975 года велась работа над концептуальным проектированием, а в следующем году началось детальное проектирование. [6]

TFTR станет крупнейшим токамаком в мире; для сравнения, исходный ST имел диаметр плазмы 12 дюймов (300 мм), в то время как последующая конструкция PLT составляла 36 дюймов (910 мм), а TFTR был разработан как 86 дюймов (2200 мм). [2] Это сделало его примерно вдвое больше, чем другие крупные машины той эпохи; Joint European Torus 1978 года и примерно совпадающий с ним JT-60 были примерно вдвое меньшего диаметра. [7]

Поскольку PLT продолжал давать все лучшие и лучшие результаты, в 1978 и 79 годах было добавлено дополнительное финансирование, а в конструкцию были внесены поправки для достижения долгожданной цели «научной безубыточности», когда количество энергии, производимой реакциями синтеза в плазме, было равным к количеству энергии, подаваемой в него, чтобы нагреть его до рабочих температур. Также известный как Q = 1, это важный шаг на пути к созданию полезных конструкций, производящих электроэнергию. [8] Чтобы удовлетворить это требование, система отопления была модернизирована до 50 МВт и, наконец, до 80 МВт. [9]

Операции [ править ]

Строительство началось в 1980 году, а первые операции TFTR начались в 1982 году. Последовал длительный период обкатки и испытаний. К середине 1980-х годов начались всерьез испытания дейтерия, чтобы понять его эффективность. В 1986 году он произвел первые «сверхвысокие выстрелы», в результате которых образовалось много термоядерных нейтронов. [10] Это продемонстрировало, что система может достичь целей первоначального проекта 1976 года; производительность при работе на дейтерии была такой, что в случае введения трития ожидалось, что он будет производить около 3,5 МВт термоядерной мощности. Учитывая энергию в системах отопления, это составляет Q около 0,2, или около 20% от требований к безубыточности. [8]

Однако дальнейшее тестирование выявило серьезные проблемы. Чтобы достичь безубыточности, система должна одновременно соответствовать нескольким целям, сочетая температуру, плотность и продолжительность удержания топлива. В апреле 1986 года эксперименты TFTR продемонстрировали последние два из этих требований, когда был получен тройной продукт слияния 1,5 x10 14 Кельвинов секунд на кубический сантиметр, что близко к цели для практического реактора и в пять-семь раз больше, чем необходимо для безубыточности. Однако это происходило при температуре, которая была намного ниже требуемой. В июле 1986 года TFTR достиг температуры плазмы 200 миллионов кельвинов (200 МК), что на тот момент было самым высоким показателем, когда-либо достигнутым в лаборатории. Температура в 10 раз больше, чем в центре солнца, и более чем достаточно для безубыточности. К сожалению, для достижения этих температур тройной продукт был значительно уменьшен до10 13 , в два или три раза меньше для безубыточности.

Одновременно продолжались серьезные усилия по достижению этих условий. Дональд Гроув, менеджер проекта TFTR, сказал, что они рассчитывают достичь этой цели в 1987 году. За этим последуют тесты DT, которые фактически обеспечат безубыточность, начиная с 1989 года. [11] К сожалению, система не смогла достичь ни одной из этих целей. Причины этих проблем интенсивно изучались в последующие годы, что привело к новому пониманию нестабильности высокопроизводительной плазмы, которое не наблюдалось в небольших машинах. Основным результатом проблем TFTR было развитие сильно неоднородных плазменных поперечных сечений, особенно D-образной плазмы, которая сейчас доминирует в этой области.

Более поздние эксперименты [ править ]

Хотя стало ясно, что TFTR не достигнет безубыточности, всерьез эксперименты с использованием трития начались в декабре 1993 года, став первым подобным устройством, которое перешло в основном на это топливо. В 1994 году он произвел мировой рекорд мощности термоядерного синтеза в 10,7 мегаватт от плазмы 50-50 DT (превышен на JETв Великобритании, где в 1997 г. было выработано 16 МВт из 24 МВт введенной тепловой энергии, что является текущим рекордом). В этих двух экспериментах особое внимание уделялось альфа-частицам, образующимся в дейтерий-тритиевых реакциях, которые важны для саморазогрева плазмы и являются важной частью любого рабочего проекта. В 1995 году TFTR достиг мирового рекорда в 510 миллионов ° C - более чем в 25 раз больше, чем в центре Солнца. Позже в следующем году это было побито токамаком JT-60, который достиг ионной температуры 522 миллиона ° C (45 кэВ). [12] Также в 1995 году ученые TFTR исследовали новый фундаментальный режим удержания плазмы - усиленный обратный сдвиг , чтобы уменьшить турбулентность плазмы. [13]

TFTR использовался до 1997 года. Он был демонтирован в сентябре 2002 года после 15 лет эксплуатации. [14]

За ним последовал сферический токамак NSTX . [15]

См. Также [ править ]

  • Список термоядерных экспериментов

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Мид, Дейл (сентябрь 1988 г.). "Результаты и планы испытательного термоядерного реактора Токамак". Журнал термоядерной энергии . 7 (2-3): 107. DOI : 10.1007 / BF01054629 . S2CID  120135196 .
  2. ^ a b c d e f "Принстонский токамак накаляет гонку за термоядерной энергией" . Популярная наука . Декабрь 1978 г. С. 69–71, 150.
  3. ^ Магнитное удержание термоядерного синтеза и TFTR
  4. ↑ Томсон, Джордж (30 января 1958). «Термоядерный синтез: задача и триумф» . Новый ученый . Vol. 3 шт. 63. С. 11–13.
  5. ^ a b Чейз, Лоуренс (8 декабря 1970 г.). «Основные достижения в исследованиях рака и в Форрестол» . п. 19. Журнал Cite требует |magazine=( помощь )
  6. ^ a b c Дин, Стивен (2013). Ищите Абсолютный Источник Энергии . Springer. п. 44. ISBN 9781461460374.
  7. ^ Kubic, Мартин (31 июля 2007). Обзор плазменных параметров токамака JET в различных режимах его работы (PDF) (Технический отчет). Чешский технический университет.
  8. ^ a b Мид 1988 , стр. 107.
  9. ↑ KW Ehlers, KH Berkner, WS Cooper, B. Hooper, RV Pyle, JW Stearns (17 ноября 1975 г.). Концептуальный проект системы ввода нейтрального луча для TFTR (PDF) (Технический отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли. CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  10. ^ Fusion. Робин Герман. 1990. ISBN 0-521-38373-0. 
  11. ↑ Thomsen, DE (1986) Плазма в 10 раз горячее Солнца. Новости науки. 130: 102-102. ISSN 0036-8423 
  12. ^ https://jopss.jaea.go.jp/search/servlet/search?5017810&language=1
  13. ^ "Токамакский термоядерный испытательный реактор" .
  14. ^ http://www.princeton.edu/main/news/archive/S01/16/32S00/index.xml#top
  15. ^ http://www.pppl.gov/Tokamak%20Fusion%20Test%20Reactor («Помимо достижения своих физических целей, TFTR достиг всех своих целей проектирования оборудования»)