Historia syntezy jądrowej
Historia syntezy jądrowej rozpoczęła się na początku XX wieku jako badanie sposobu, w jaki gwiazdy się zasilają, i rozszerzyła się, obejmując szerokie badanie natury materii i energii, ponieważ potencjalne zastosowania rozszerzyły się o działania wojenne, produkcję energii i napęd rakietowy.
Wczesne badania
W 1920 roku brytyjski fizyk Francis William Aston odkrył, że równoważnik masowy czterech atomów wodoru jest cięższy niż masa jednego atomu helu ( He-4 ), co sugerowało, że energia wypadkowa może zostać uwolniona poprzez połączenie atomów wodoru w celu utworzenia helu. Dało to pierwsze wskazówki dotyczące mechanizmu, dzięki któremu gwiazdy mogą wytwarzać energię. W latach dwudziestych Arthur Stanley Eddington stał się głównym orędownikiem reakcji łańcuchowej proton-proton (reakcji PP) jako podstawowego systemu napędzającego Słońce . Tunelowanie kwantowe zostało odkryte przez Friedricha Hunda w 1929 roku, a wkrótce potem Robert Atkinson i Fritz Houtermans wykorzystali zmierzone masy lekkich pierwiastków, aby wykazać, że duże ilości energii mogą zostać uwolnione przez syntezę małych jąder.
Henry Norris Russell zauważył, że związek na diagramie Hertzsprunga-Russella sugeruje, że ciepło gwiazdy pochodzi raczej z gorącego jądra niż z całej gwiazdy. Eddington wykorzystał to do obliczenia, że jądro musiałoby mieć około 40 milionów K. Stało się to przedmiotem dyskusji, ponieważ wartość jest znacznie wyższa niż obserwacje astronomiczne, które sugerowały około jednej trzeciej do połowy tej wartości. George Gamow przedstawił matematyczne podstawy tunelowania kwantowego w 1928 r. W 1929 r. Atkinson i Houtermans dostarczył pierwszych szacunków szybkości syntezy gwiazd. Pokazali, że fuzja może zachodzić przy energiach niższych niż wcześniej sądzono, potwierdzając obliczenia Eddingtona.
Eksperymenty jądrowe rozpoczęto przy użyciu akceleratora cząstek zbudowanego przez Johna Cockcrofta i Ernesta Waltona w Cavendish Laboratory Ernesta Rutherforda na Uniwersytecie w Cambridge . W 1932 roku Walton dokonał pierwszego sztucznego rozszczepienia, używając protonów z akceleratora do rozbicia litu na cząstki alfa . Akcelerator był następnie używany do wystrzeliwania deuteronów w różne cele. Praca z Rutherfordem i innymi, Markiem Oliphantem odkrył jądra helu-3 ( heliony ) i trytu ( trytony ), pierwszy przypadek fuzji spowodowanej przez człowieka.
Neutrony z fuzji zostały po raz pierwszy wykryte w 1933 roku. Eksperyment obejmował przyspieszenie protonów w kierunku celu przy energiach do 600 000 elektronowoltów.
Teoria zweryfikowana przez Hansa Bethe w 1939 roku wykazała, że rozpad beta i tunelowanie kwantowe w jądrze Słońca mogą przekształcić jeden z protonów w neutron , a tym samym wytworzyć raczej deuter niż diproton . Deuter następnie stopiłby się w innych reakcjach, aby jeszcze bardziej zwiększyć produkcję energii. Za tę pracę Bethe zdobył w 1967 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .
W 1938 roku Peter Thonemann opracował szczegółowy plan urządzenia do zaciskania , ale polecono mu wykonać inną pracę w ramach swojej pracy magisterskiej.
Pierwszy patent dotyczący reaktora termojądrowego został zarejestrowany w 1946 roku przez Urząd Energii Atomowej Zjednoczonego Królestwa . Wynalazcami byli Sir George Paget Thomson i Moses Blackman . Było to pierwsze szczegółowe badanie koncepcji Z-pinch . Od 1947 roku dwa brytyjskie zespoły przeprowadzały eksperymenty oparte na tej koncepcji.
1950
Pierwszym udanym urządzeniem do syntezy jądrowej stworzonym przez człowieka była wzmocniona broń rozszczepiająca, przetestowana w 1951 roku w teście przedmiotów szklarniowych . Pierwszą prawdziwą bronią fuzyjną był Ivy Mike z 1952 roku , a pierwszym praktycznym przykładem był Castle Bravo z 1954 roku . W tych urządzeniach energia uwolniona podczas wybuchu rozszczepienia spręża i ogrzewa paliwo, rozpoczynając reakcję syntezy jądrowej. Fuzja uwalnia neutrony . Te neutrony uderzają w otaczające paliwo rozszczepiające, powodując rozpad atomów znacznie szybciej niż w normalnych procesach rozszczepienia. Zwiększyło to skuteczność bomb: normalna broń rozszczepiająca wybucha sama, zanim całe paliwo zostanie zużyte; broń termojądrowa/rozszczepialna nie marnuje paliwa.
gwiezdny
W 1949 r. emigrant z Niemiec, Ronald Richter, zaproponował projekt Huemul w Argentynie, ogłaszając pozytywne wyniki w 1951 r. Okazały się one fałszywe, ale wzbudziły zainteresowanie innych. Lyman Spitzer zaczął rozważać sposoby rozwiązania problemów związanych z ograniczeniem gorącej plazmy i nieświadomy wysiłków związanych ze skurczem-z, stworzył stellarator. Spitzer wystąpił do amerykańskiej Komisji Energii Atomowej o dofinansowanie budowy urządzenia testowego.
W tym okresie James L. Tuck , który pracował z brytyjskimi zespołami nad z-pinch, przedstawiał koncepcję stellaratora swoim współpracownikom w LANL. Kiedy usłyszał o boisku Spitzera, zgłosił się do zbudowania własnej maszyny do szczypania, Maybeatron .
Pomysł Spitzera zdobył fundusze i rozpoczął pracę w ramach Projektu Matterhorn. Jego praca doprowadziła do powstania Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Tuck wrócił do LANL i zorganizował lokalne fundusze na budowę swojej maszyny. W tym czasie stało się jasne, że maszyny do szczypania były dotknięte niestabilnością, opóźniając postęp. W 1953 roku Tuck i inni zaproponowali rozwiązania, które doprowadziły do powstania drugiej serii maszyn zaciskowych, takich jak ZETA i Scepter .
Pierwsza maszyna Spitzera, „A”, działała, ale następna, „B”, cierpiała z powodu niestabilności i wycieku plazmy.
W 1954 roku przewodniczący AEC Lewis Strauss przewidział elektryczność jako „ zbyt tanią, by ją mierzyć ”. Strauss prawdopodobnie odnosił się do energii syntezy jądrowej, będącej częścią tajnego Projektu Sherwood — ale jego wypowiedź została zinterpretowana jako odnosząca się do rozszczepienia. AEC złożyło Kongresowi bardziej realistyczne zeznania dotyczące rozszczepienia kilka miesięcy wcześniej, przewidując, że „koszty można obniżyć… [do]… mniej więcej tyle samo, co koszt energii elektrycznej ze źródeł konwencjonalnych…”
Edwarda Tellera
W 1951 roku Edward Teller i Stanisław Ulam z Los Alamos National Laboratory (LANL) opracowali projekt Tellera-Ulama dla broni termojądrowej , umożliwiając opracowanie bomb termojądrowych o wydajności wielu megaton. Prace nad syntezą jądrową w Wielkiej Brytanii zostały utajnione po Klausa Fuchsa .
W połowie lat pięćdziesiątych narzędzia teoretyczne używane do obliczania wydajności maszyn termojądrowych nie przewidywały ich rzeczywistego zachowania. Maszyny niezmiennie wydzielały plazmę z szybkością znacznie wyższą niż przewidywano. W 1954 roku Edward Teller zebrał badaczy syntezy jądrowej w Princeton Gun Club. Wskazał problemy i zasugerował, że każdy system, który ograniczałby plazmę do wklęsłych pól, był skazany na porażkę z powodu tak zwanej niestabilności wymiany . Uczestnicy pamiętają, jak powiedział, że pola są jak gumki recepturki i będą próbować wrócić do prostej konfiguracji za każdym razem, gdy moc zostanie zwiększona, wyrzucając plazmę. Zasugerował, że jedynym sposobem przewidywalnego ograniczenia plazmy byłoby użycie pól wypukłych: konfiguracja „wierzchołków”. :118
Po zakończeniu spotkania większość badaczy przedstawiła dokumenty wyjaśniające, dlaczego obawy Tellera nie dotyczą ich urządzeń. Maszyny szczypcowe nie wykorzystywały w ten sposób pól magnetycznych, natomiast klaki lustrzane i gwiezdne proponowały różne rozwiązania. Wkrótce potem pojawił się artykuł Martina Davida Kruskala i Martina Schwarzschilda omawiający maszyny szczypcowe, który wykazał, że niestabilność tych urządzeń jest nieodłączna. :118
ZETA
Największym „klasycznym” urządzeniem szczypcowym była ZETA , która rozpoczęła działalność w Wielkiej Brytanii w 1957 roku. Jej nazwa pochodzi od małych eksperymentalnych reaktorów rozszczepienia , które często miały w nazwie „zerową energię”, takich jak ZEEP .
Na początku 1958 roku John Cockcroft ogłosił, że w ZETA osiągnięto fuzję, co trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Odrzucił obawy amerykańskich fizyków. Eksperymenty w USA wkrótce dały podobne neutrony, chociaż pomiary temperatury sugerowały, że nie mogą one pochodzić z syntezy jądrowej. Później wykazano, że neutrony ZETA pochodzą z różnych wersji procesów niestabilności, które nękały wcześniejsze maszyny. Cockcroft został zmuszony do wycofania swoich twierdzeń dotyczących fuzji, niszcząc całe pole na lata. ZETA zakończyła się w 1968 roku.
Scylla
Pierwszy eksperyment mający na celu osiągnięcie kontrolowanej syntezy termojądrowej przeprowadzono przy użyciu Scylla I w LANL w 1958 roku. Scylla I była maszyną θ-pinch z cylindrem pełnym deuteru. Prąd elektryczny zestrzelił boki cylindra. Prąd wytwarzał pola magnetyczne, które ściskały plazmę, podnosząc temperaturę do 15 milionów stopni Celsjusza, na tyle długo, że atomy łączyły się i wytwarzały neutrony. Program Sherwood sponsorował serię maszyn Scylla w Los Alamos. Program rozpoczął się od 5 naukowców i 100 000 dolarów dofinansowania ze Stanów Zjednoczonych w styczniu 1952 roku. Do 1965 roku wydano łącznie 21 milionów dolarów. [ potrzebne źródło ] Podejście θ-pinch zostało porzucone po tym, jak obliczenia wykazały, że nie można go zwiększyć do wytworzenia reaktora.
Tokamak
W latach 1950–1951 w Związku Radzieckim Igor Tamm i Andriej Sacharow po raz pierwszy omówili podejście podobne do tokamaka . Eksperymentalne badania nad tymi konstrukcjami rozpoczęły się w 1956 roku w Moskiewskim Instytucie Kurczatowa przez grupę radzieckich naukowców pod kierownictwem Lwa Artsimowicza . Tokamak zasadniczo łączył urządzenie zaciskające o małej mocy ze stellaratorem o małej mocy. Chodziło o takie połączenie pól, aby cząstki okrążyły reaktor określoną liczbę razy, co dziś nazywa się „współczynnikiem bezpieczeństwa ”. ". Połączenie tych pól radykalnie poprawiło czas i gęstość uwięzienia, co zaowocowało ogromnymi ulepszeniami w stosunku do istniejących urządzeń.
Inny
W 1951 Ivy Mike , część operacji Ivy , stała się pierwszą detonacją broni termojądrowej , dając 10,4 megaton trotylu przy użyciu ciekłego deuteru. Cousins and Ware zbudowali w Anglii toroidalne zaciskające i wykazali, że plazma w urządzeniach zaciskających jest z natury niestabilna. W 1953 roku Związek Radziecki przetestował swój test RDS-6S (o nazwie kodowej „ Joe 4 ” w USA) zademonstrował projekt rozszczepienia / fuzji / rozszczepienia („Layercake”), który dał 600 kiloton. Igor Kurczatow przemawiał w Harwell na temat urządzeń typu pinch, ujawniając, że ZSRR pracuje nad syntezą jądrową.
Dążąc do wytwarzania energii elektrycznej, Japonia , Francja i Szwecja rozpoczynają programy badań nad syntezą jądrową
W 1956 roku Związek Radziecki zaczął publikować artykuły na temat fizyki plazmy, co skłoniło Stany Zjednoczone i Wielką Brytanię do naśladowania ich w ciągu następnych kilku lat.
Scepter III z-pinch pozostawała stabilna przez 300 do 400 mikrosekund, co stanowi ogromną poprawę w porównaniu z poprzednimi wysiłkami. Zespół obliczył, że plazma ma rezystywność elektryczną około 100 razy większą niż miedź i jest w stanie przewodzić prąd o natężeniu 200 kA przez 500 mikrosekund.
1960
W 1960 roku John Nuckolls opublikował koncepcję fuzji bezwładnościowej (ICF). Wprowadzony w tym samym roku laser okazał się odpowiednim „sterownikiem”.
W 1961 roku Związek Radziecki przetestował swoją 50-megatonową Car Bombę , najpotężniejszą broń termojądrową w historii.
Spitzer opublikował kluczowy tekst z fizyki plazmy w Princeton w 1963 roku. Wziął prawa gazu doskonałego i zaadaptował je do zjonizowanej plazmy, opracowując wiele podstawowych równań używanych do modelowania plazmy.
Fuzja laserowa została zaproponowana w 1962 roku przez naukowców z LLNL. Początkowo lasery miały niewielką moc. fuzją laserową ( fuzją inercyjną ) rozpoczęto już w 1965 roku.
Na Wystawie Światowej w 1964 r . publiczność miała swój pierwszy pokaz syntezy jądrowej. Urządzenie było Theta-pinch od General Electric. Było to podobne do maszyny Scylla opracowanej wcześniej w Los Alamos.
W połowie lat sześćdziesiątych postęp na całym świecie utknął w martwym punkcie. Wszystkie główne projekty traciły plazmę w niezrównoważonym tempie. 12-wiązkowa „laserowa 4 pi” próba fuzji bezwładnościowej opracowana w LLNL była ukierunkowana na wypełnioną gazem komorę docelową o średnicy około 20 centymetrów.
Lustro magnetyczne zostało po raz pierwszy opublikowane w 1967 roku przez Richarda F. Posta i wielu innych w LLNL. Lustro składało się z dwóch dużych magnesów ułożonych w taki sposób, że miały w sobie silne pola i słabsze, ale połączone pole między nimi. Plazma wprowadzona w obszar między dwoma magnesami „odbijałaby się” od silniejszych pól w środku.
Grupa AD Sacharowa skonstruowała pierwsze tokamaki. Największy sukces odniósł T-3 i jego większa wersja T-4. T-4 został przetestowany w 1968 roku w Nowosybirsku , dając pierwszą quasi-stacjonarną reakcję syntezy jądrowej. :90 Kiedy to ogłoszono, społeczność międzynarodowa była sceptyczna. Brytyjski zespół został zaproszony do obejrzenia T-3 i potwierdził radzieckie twierdzenia. Nastąpił wybuch działalności, ponieważ wiele planowanych urządzeń zostało porzuconych, a na ich miejsce wprowadzono tokamaki - gwiezdny model C, wówczas budowany po wielu przeprojektowaniach, został szybko przekształcony w tokamaka symetrycznego.
W swojej pracy z lampami próżniowymi Philo Farnsworth zauważył, że w lampie gromadzi się ładunek elektryczny. W 1962 roku Farnsworth opatentował projekt wykorzystujący dodatnią klatkę wewnętrzną do koncentracji plazmy i fuzji protonów. W tym czasie Robert L. Hirsch dołączył do laboratoriów Farnsworth Television i rozpoczął pracę nad tym, co stało się Farnsworth-Hirsch Fusor . Efekt ten stał się znany jako efekt Multipactora . Hirsch opatentował projekt w 1966 roku i opublikował go w 1967 roku.
Temperatury plazmy około 40 milionów stopni Celsjusza i 10 9 reakcji fuzji deuteron-deuteron na wyładowanie osiągnięto w LANL za pomocą Scylla IV.
W 1968 roku Sowieci ogłosili wyniki z tokamaka T-3 , twierdząc, że temperatury są o rząd wielkości wyższe niż jakiekolwiek inne urządzenie. Zespół z Wielkiej Brytanii, nazywany „The Culham Five”, potwierdził wyniki. Wyniki doprowadziły wiele innych zespołów, w tym grupę Princeton, która przekształciła swój stellarator w tokamaka.
lata 70
gwiezdnego modelu C w tokamaku przez Princeton przyniosła wyniki pasujące do Sowietów. Dysponując widocznym rozwiązaniem problemu butelki magnetycznej, rozpoczynają się plany większej maszyny do testowania skalowania i metod podgrzewania plazmy.
W 1972 roku John Nuckolls nakreślił ideę zapłonu termojądrowego , reakcji łańcuchowej syntezy jądrowej. Gorący hel powstający podczas syntezy jądrowej ponownie podgrzewa paliwo i uruchamia kolejne reakcje. Artykuł Nuckollsa zapoczątkował poważny wysiłek rozwojowy. LLNL zbudował systemy laserowe, w tym Argus , Cyclops , Janus , laser domieszkowany szkłem neodymowym (Nd: szkło) Long Path , laser Shiva i 10-wiązkowy Nova w 1984 r. Nova ostatecznie wytworzy 120 kilodżuli światła podczerwonego podczas nanosekundowego impulsu.
Wielka Brytania zbudowała Central Laser Facility w 1976 roku.
Pojawiła się koncepcja „zaawansowanego tokamaka”, która obejmowała nieokrągłą plazmę, wewnętrzne przełączniki i ograniczniki, magnesy nadprzewodzące oraz działanie w tzw. Wyspie „H-mode” o zwiększonej stabilności. Wyróżniły się dwa inne projekty; kompaktowy tokamak umieścił magnesy po wewnętrznej stronie komory próżniowej, a sferyczny tokamak o jak najmniejszym przekroju poprzecznym.
W 1974 roku JB Taylor ponownie odwiedził ZETA i zauważył, że po zakończeniu eksperymentu plazma weszła w krótki okres stabilności. Doprowadziło to do odwróconego szczypania pola . 1 maja 1974 roku firma KMS zajmująca się syntezą jądrową (założona przez Kipa Siegela ) dokonała pierwszej na świecie fuzji indukowanej laserem w grudce deuteru i trytu. Czułe na neutrony detektory emulsji jądrowej, opracowane przez laureata Nagrody Nobla Roberta Hofstadtera z 1961 r ., posłużyły jako dowód tego odkrycia.
Princeton Large Torus (PLT), następca symetrycznego tokamaka, przewyższył najlepsze radzieckie maszyny i ustanowił rekordy temperatury, które przekraczały wymagania komercyjnego reaktora. Wkrótce potem otrzymał dofinansowanie z celem osiągnięcia progu rentowności.
W połowie lat siedemdziesiątych projekt PACER , realizowany w LANL, badał możliwość wybuchu małych bomb wodorowych (bomb termojądrowych) wewnątrz podziemnej wnęki. :25 Jako źródło energii, system był jedynym systemem, który mógł działać przy użyciu ówczesnej technologii. Wymagało to jednak dużych, ciągłych dostaw bomb atomowych, z wątpliwą ekonomią.
w LLNL zaczął działać dwuwiązkowy laser Argus . W 1977 roku ukończono tam 20-wiązkowy laser Shiva , zdolny do dostarczenia 10,2 kilodżuli energii podczerwieni na cel. Za cenę 25 milionów dolarów i rozmiar zbliżony do boiska piłkarskiego Shiva był pierwszym megalaserem.
Na warsztatach w 1977 r. w hotelu Claremont w Berkeley dr C. Martin Stickley, ówczesny dyrektor Biura ds. Fuzji Inercyjnej Agencji Badań i Rozwoju Energii , stwierdził, że na drodze do energii termojądrowej nie ma przeszkód.
DOE wybrał zaprojektowany przez Princeton Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) i wyzwanie, jakim jest praca na paliwie deuterowo-trytowym.
20-wiązkowy laser Shiva w LLNL stał się w stanie dostarczyć 10,2 kilodżuli energii podczerwieni na cel. Kosztujący 25 milionów dolarów i prawie pokrywający boisko do piłki nożnej Shiva był pierwszym „megalaserem” w LLNL.
lata 80
W niemiecko-amerykańskim badaniu HIBALL Garching wykorzystał wysoką częstotliwość powtarzania sterownika RF do obsługi czterech komór reaktora przy użyciu ciekłego litu wewnątrz wnęki komory. W 1982 roku w tokamakach odkryto tryb wysokiego zamknięcia (tryb H).
Lusterko magnetyczne
Stany Zjednoczone sfinansowały program luster magnetycznych pod koniec lat 70. i na początku lat 80. XX wieku. W wyniku tego programu powstała seria magnetycznych urządzeń lustrzanych, w tym: 2X, :273 Baseball I, Baseball II, Tandem Mirror Experiment and upgrade, Mirror Fusion Test Facility oraz MFTF-B. Maszyny te były budowane i testowane w LLNL od późnych lat 60. do połowy lat 80. XX wieku. Ostateczna maszyna, MFTF, kosztowała 372 miliony dolarów i była wówczas najdroższym projektem w historii LLNL. Został otwarty 21 lutego 1986 roku i natychmiast zamknięty, rzekomo w celu zrównoważenia budżetu federalnego.
Laser
Postęp fuzji laserowej: w 1983 roku ukończono laser NOVETTE . W grudniu następnego roku ukończono dziesięciowiązkowy laser NOVA . Pięć lat później NOVA wyprodukowała 120 kilodżuli światła podczerwonego podczas nanosekundowego impulsu.
Badania koncentrowały się na szybkiej dostawie lub gładkości wiązki. Oba koncentrowały się na zwiększeniu jednorodności energetycznej. Jednym z wczesnych problemów było to, że światło w podczerwieni traciło energię przed uderzeniem w paliwo. Przełomów dokonano w LLE na University of Rochester . Naukowcy z Rochester wykorzystali kryształy potrajające częstotliwość do przekształcenia wiązek lasera podczerwonego w wiązki ultrafioletowe.
ćwierkanie
W 1985 roku Donna Strickland i Gérard Mourou wynaleźli metodę wzmacniania impulsów laserowych poprzez „ćwierkanie”. Zmieniło to pojedynczą długość fali w pełne widmo. System wzmacniał wiązkę przy każdej długości fali, a następnie odwracał wiązkę w jeden kolor. Wzmocnienie impulsowe Chirp stało się instrumentalne dla NIF i systemu Omega EP.
LANL zbudował szereg urządzeń laserowych. Obejmowały one Gemini (system dwóch wiązek), Helios (osiem wiązek), Antares (24 wiązek) i Aurora (96 wiązek). Program zakończył się na początku lat dziewięćdziesiątych kosztem rzędu miliarda dolarów.
W 1987 roku Akira Hasegawa zauważył, że w dipolarnym polu magnetycznym fluktuacje mają tendencję do kompresji plazmy bez utraty energii. Efekt ten został zauważony w danych zebranych przez sondę Voyager 2 , kiedy napotkała ona Urana . Ta obserwacja stała się podstawą podejścia do syntezy jądrowej, znanego jako lewitujący dipol .
Tokamaki Tore Supra były budowane od 1983 do 1988 roku w Cadarache we Francji. Jego nadprzewodzące magnesy pozwoliły mu wytworzyć silne, trwałe toroidalne pole magnetyczne. Pierwsza plazma pojawiła się w 1988 roku.
W 1983 roku JET uzyskał pierwszą plazmę. W 1985 roku japoński tokamak JT-60 wyprodukował swoje pierwsze plazmy. W 1988 roku ukończono T-15 , radziecki tokamak, pierwszy wykorzystujący (chłodzone helem) magnesy nadprzewodzące .
W 1998 roku ukończono radziecki tokamak T-15 z nadprzewodzącymi cewkami chłodzonymi helem.
Sferyczny tokamak
W 1984 roku Martin Peng zaproponował alternatywny układ cewek magnetycznych, który znacznie zmniejszyłby proporcje, jednocześnie unikając problemów związanych z erozją kompaktowego tokamaka: sferyczny tokamak . Zamiast okablowania każdej cewki magnesu osobno, zaproponował użycie pojedynczego dużego przewodnika pośrodku i okablowanie magnesów jako półpierścieni z tego przewodnika. To, co kiedyś było serią pojedynczych pierścieni przechodzących przez otwór w środku reaktora, zostało zredukowane do pojedynczego słupka, co pozwoliło na uzyskanie współczynnika kształtu tak niskiego, jak 1,2. :B247 :225 Koncepcja ST wydawała się reprezentować ogromny postęp w projektowaniu tokamaków. Propozycja pojawiła się w okresie, gdy amerykańskie budżety na badania nad syntezą jądrową były znacznie mniejsze. ORNL otrzymał fundusze na opracowanie odpowiedniej kolumny centralnej zbudowanej z wysokowytrzymałego stopu miedzi zwanego „Glidcop”. Jednak nie byli w stanie zapewnić funduszy na budowę maszyny demonstracyjnej.
Po niepowodzeniu w ORNL Peng rozpoczął ogólnoświatowe wysiłki mające na celu zainteresowanie innych zespołów tą koncepcją i zbudowanie maszyny testowej. Jednym ze sposobów byłoby przekształcenie sferomaka. :225 Rzecznictwo Penga zainteresowało Dereka Robinsona z Urzędu Energii Atomowej Zjednoczonego Królestwa . Robinson zebrał zespół i zabezpieczył około 100 000 funtów na zbudowanie eksperymentalnej maszyny, Small Tight Aspect Ratio Tokamak lub START. Części maszyny zostały poddane recyklingowi z wcześniejszych projektów, podczas gdy inne zostały wypożyczone z innych laboratoriów, w tym iniektor wiązki neutralnej 40 keV z ORNL. Budowę rozpoczęto w 1990 r., a eksploatację rozpoczęto w styczniu 1991 r. :11 Osiągnięto rekordową beta (ciśnienie plazmy w porównaniu z ciśnieniem pola magnetycznego) wynoszącą 40% przy użyciu iniektora wiązki neutralnej
ITER
Tworzy się koalicja Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego (ITER), w skład której wchodzą EURATOM , Japonia , Związek Radziecki i Stany Zjednoczone, i rozpoczyna się proces projektowania koncepcyjnego.
lata 90
W 1991 roku w ramach wstępnego eksperymentu z trytem firmy JET osiągnięto pierwsze na świecie kontrolowane uwolnienie energii termojądrowej.
W 1992 roku Physics Today opublikował zarys obecnego stanu ICF autorstwa Roberta McCory'ego, opowiadający się za utworzeniem krajowego obiektu zapłonowego. Następnie w 1995 roku ukazał się artykuł przeglądowy Johna Lindla, w którym poruszono ten sam punkt. W tym czasie opracowano różne podsystemy ICF, w tym produkcję docelową, systemy obsługi kriogenicznej, nowe projekty laserów (zwłaszcza laser NIKE w NRL ) oraz ulepszoną diagnostykę, w tym analizatory czasu lotu i rozpraszanie Thomsona . Ta praca została wykonana w NOVA , General Atomics , Laser Mégadżule i system GEKKO XII w Japonii. Dzięki tej pracy i lobbowaniu przez grupy, takie jak współpracownicy energii syntezy jądrowej i John Sethian z NRL, Kongres zatwierdził finansowanie projektu NIF pod koniec lat dziewięćdziesiątych.
W 1992 roku Stany Zjednoczone i byłe republiki Związku Radzieckiego zaprzestały prób broni jądrowej.
W 1993 TFTR w PPPL eksperymentował z 50% deuterem , 50% trytem , osiągając ostatecznie 10 megawatów.
Na początku lat dziewięćdziesiątych opublikowano prace teoretyczne i eksperymentalne dotyczące fuzorów i wielodołków . W odpowiedzi Todd Rider z MIT opracował ogólne modele tych urządzeń, argumentując, że wszystkie systemy plazmowe w równowadze termodynamicznej są zasadniczo ograniczone. W 1995 roku William Nevins opublikował krytykę, w której argumentował, że cząstki wewnątrz fusorów i polywells uzyskałyby moment pędu , powodując degradację gęstego jądra.
W 1995 roku Uniwersytet Wisconsin-Madison zbudował duży fusor , znany jako HOMER. Dr George H. Miley z Illinois zbudował mały fusor, który wytwarzał neutrony przy użyciu deuteru i odkrył „ tryb gwiezdny ” działania fuzora. W tym czasie w Europie firma Daimler-Chrysler i NSD Fusion opracowała urządzenie IEC jako komercyjne źródło neutronów .
W następnym roku Tore Supra osiągnął rekordowy czas trwania plazmy wynoszący dwie minuty przy prądzie o natężeniu prawie 1 M ampera napędzanym bezindukcyjnie przez 2,3 MW fal o niższej częstotliwości hybrydowej (tj . -komponenty okładzinowe.
Zmodernizowana maszyna Z została udostępniona publiczności w sierpniu 1998 roku. Kluczowymi cechami były jej prąd o natężeniu 18 milionów amperów i czas rozładowania poniżej 100 nanosekund . To wygenerowało impuls magnetyczny wewnątrz dużego zbiornika oleju, który uderzył w wykładzinę (układ wolframowych ). Odpalanie maszyny Z stało się sposobem na przetestowanie warunków o wysokiej energii i wysokiej temperaturze (2 miliardy stopni). w 1996 roku
W 1997 JET osiągnął 16,1 MW (65% ciepła do plazmy), utrzymując ponad 10 MW przez ponad 0,5 sekundy. Od 2020 roku pozostaje to rekordowym poziomem produkcji. cztery megawaty samonagrzewania cząstek alfa .
ITER został oficjalnie ogłoszony jako część konsorcjum składającego się z siedmiu stron (sześć krajów i UE). ITER został zaprojektowany tak, aby wytwarzać dziesięć razy więcej energii termojądrowej niż moc wejściowa. ITER został zlokalizowany w Cadarache. Stany Zjednoczone wycofały się z projektu w 1999 roku.
z równoważnym współczynnikiem wzmocnienia fuzji od 2021 r. Pozostał to rekord świata.
Pod koniec lat dziewięćdziesiątych zespół z Columbia University i MIT opracował lewitujący dipol , urządzenie termojądrowe, które składało się z nadprzewodzącego elektromagnesu unoszącego się w komorze próżniowej w kształcie spodka. Plazma wirowała wokół tego pączka i stapiała się wzdłuż środkowej osi.
2000s
„Szybki zapłon” pojawił się pod koniec lat dziewięćdziesiątych, jako część nacisku LLE na zbudowanie systemu Omega EP, który zakończył się w 2008 roku. Szybki zapłon wykazał dramatyczne oszczędności energii i przeniósł ICF do wyścigu o produkcję energii. Obiekt HiPER został poświęcony szybkiemu zapłonowi.
W 2001 roku Stany Zjednoczone, Chiny i Republika Korei przystąpiły do ITER, a Kanada się wycofała.
W kwietniu 2005 roku zespół z UCLA ogłosił sposób wytwarzania syntezy jądrowej za pomocą maszyny, która „pasuje do stołu laboratoryjnego”, wykorzystując tantalan litu do generowania napięcia wystarczającego do syntezy deuteru . Proces nie generował mocy netto.
ukończono testowy reaktor EAST w Chinach . Był to pierwszy tokamak, w którym zastosowano magnesy nadprzewodzące do generowania pól toroidalnych i poloidalnych.
Na początku XXI wieku naukowcy LANL twierdzili, że oscylująca plazma może osiągnąć lokalną równowagę termodynamiczną. To skłoniło projekty pułapek POPS i Penning .
W 2005 roku NIF wystrzelił swoją pierwszą wiązkę ośmiu wiązek, osiągając najpotężniejszy dotychczas impuls laserowy - 152,8 kJ (podczerwień).
z MIT zainteresowali się fuzorami do napędu kosmicznego, wykorzystując fuzory z wieloma wewnętrznymi klatkami. Greg Piefer założył Phoenix Nuclear Labs i rozwinął fuzor w źródło neutronów do produkcji izotopów medycznych . Robert Bussard zaczął otwarcie mówić o Polywell w 2006 roku.
W marcu 2009 roku NIF rozpoczął działalność.
Na początku XXI wieku prywatne firmy zajmujące się syntezą jądrową zaczęły rozwijać komercyjną energię termojądrową. Firma Tri Alpha Energy , założona w 1998 roku, rozpoczęła od zbadania podejścia do konfiguracji z odwróconym polem . W 2002 roku kanadyjska firma General Fusion rozpoczęła eksperymenty sprawdzające słuszność koncepcji oparte na hybrydowym podejściu magneto-inercyjnym o nazwie Magnetized Target Fusion. Wśród inwestorów znaleźli się Jeff Bezos (General Fusion) i Paul Allen (Tri Alpha Energy). Pod koniec dekady firma Tokamak Energy zaczęła badać tokamaki sferyczne urządzeń korzystających z ponownego połączenia.
2010s
Badania prywatne i publiczne przyspieszyły w 2010 roku.
Projekty prywatne
Firma General Fusion opracowała technologię wtrysku plazmy, a firma Tri Alpha Energy skonstruowała i obsługiwała urządzenie C-2U. W sierpniu 2014 r. firma Phoenix Nuclear Labs ogłosiła sprzedaż wysokowydajnego generatora neutronów, który mógłby podtrzymywać 5×10 11 reakcji syntezy jądrowej deuteru na sekundę w ciągu 24 godzin.
W październiku 2014 r. firma Lockheed Martin 's Skunk Works ogłosiła opracowanie reaktora termojądrowego o wysokiej zawartości beta , Compact Fusion Reactor . Chociaż pierwotna koncepcja zakładała zbudowanie 20-tonowej jednostki wielkości kontenera, zespół przyznał w 2018 r., że minimalna skala wyniesie 2000 ton.
W styczniu 2015 r. Polywell został zaprezentowany na Microsoft Research . Firma TAE Technologies ogłosiła, że jej reaktor Norman uzyskał plazmę.
W 2017 roku uruchomiono maszynę plazmową piątej generacji firmy Helion Energy , dążąc do osiągnięcia gęstości plazmy na poziomie 20 T i temperatur syntezy. ST40 wygenerował „pierwszą plazmę”.
W 2018 roku Eni ogłosiła inwestycję 50 milionów dolarów w Commonwealth Fusion Systems , aby spróbować skomercjalizować technologię ARC przy użyciu reaktora testowego ( SPARC ) we współpracy z MIT. W reaktorze planowano zastosować technologię wysokotemperaturowych magnesów nadprzewodzących z tlenku itru, baru i miedzi (YBCO). Firma Commonwealth Fusion Systems w 2021 roku z powodzeniem przetestowała magnes o sile 20 T, co czyni go najsilniejszym na świecie magnesem nadprzewodzącym o wysokiej temperaturze. Po magnesie 20 T CFS zebrał 1,8 miliarda dolarów od prywatnych inwestorów.
Firma General Fusion rozpoczęła opracowywanie systemu demonstracyjnego w skali 70%. Reaktor TAE Technologies osiągnął prawie 20 M°C.
Projekty rządowe i akademickie
W 2010 roku naukowcy z NIF przeprowadzili serię „strojących” strzałów w celu określenia optymalnego projektu celu i parametrów lasera do eksperymentów z wysokoenergetycznym zapłonem z paliwem termojądrowym. Zysk energetyczny netto został osiągnięty w sierpniu 2013 roku.
W kwietniu 2014 r. LLNL zakończył program Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) i skierował swoje wysiłki na NIF.
Artykuł z 2012 roku wykazał, że gęste ognisko plazmowe osiągnęło temperaturę 1,8 miliarda stopni Celsjusza, wystarczającą do syntezy boru , oraz że reakcje syntezy zachodziły głównie w obrębie zawartego plazmoidu, niezbędnego do uzyskania mocy netto.
W sierpniu 2014 r. MIT ogłosił tokamak , który nazwał reaktorem termojądrowym ARC , wykorzystujący taśmy nadprzewodzące z tlenku baru i miedzi z metali ziem rzadkich (REBCO) do budowy cewek o silnym polu magnetycznym, które, jak twierdzi, wytwarzają porównywalne natężenie pola magnetycznego w mniejszej konfiguracji niż inne projekty .
W październiku naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka zakończyli budowę największego jak dotąd gwiezdnego gwiazdora , Wendelsteina 7-X . W grudniu wyprodukowali pierwszą plazmę helową, aw lutym 2016 r. plazmę wodorową. Przy wyładowaniach plazmy trwających do 30 minut, Wendelstein 7-X próbował zademonstrować podstawową cechę gwiezdnego obiektu: ciągłą pracę wysokotemperaturowej plazmy.
W 2019 roku Wielka Brytania ogłosiła planowaną inwestycję o wartości 200 milionów funtów (248 milionów USD) w celu opracowania projektu obiektu do syntezy jądrowej o nazwie Sferyczny Tokamak do produkcji energii (STEP) na początku lat czterdziestych XX wieku.
W 2014 roku EAST osiągnął rekordowy czas uwięzienia plazmy wynoszący 30 sekund w trybie wysokiego zamknięcia (tryb H), dzięki ulepszonemu rozpraszaniu ciepła. To była poprawa o rząd wielkości w porównaniu z innymi reaktorami. W 2017 r. reaktor osiągnął stabilną 101,2-sekundową plazmę w stanie ustalonym z wysokim ograniczeniem, ustanawiając światowy rekord w działaniu w trybie H z długimi impulsami.
W 2018 roku naukowcy z MIT opracowali teoretyczny sposób usuwania nadmiaru ciepła z kompaktowych reaktorów termojądrowych za pomocą większych i dłuższych rozdzielaczy .
2020s
W 2020 roku Chevron Corporation ogłosiła inwestycję w start-up Zap Energy, którego współzałożycielem jest brytyjski przedsiębiorca i inwestor Benj Conway wraz z fizykami Brianem Nelsonem i Uri Shumlakiem z University of Washington. W 2021 roku firma zebrała 27,5 miliona dolarów w ramach finansowania serii B kierowanego przez Addition.
Amerykański DOE uruchomił program INFUSE, publiczno-prywatną inicjatywę wymiany wiedzy, obejmującą partnerstwo PPPL, MIT Plasma Science and Fusion Center oraz Commonwealth Fusion Systems, wraz z partnerstwami z TAE Technologies, Princeton Fusion Systems i Tokamak Energy. W 2021 roku Komitet Doradczy ds. Nauk o Energii Termojądrowej DOE zatwierdził strategiczny plan prowadzenia badań nad energią termojądrową i fizyką plazmy, który obejmował działającą elektrownię do 2040 roku, podobnie jak wysiłki Kanady, Chin i Wielkiej Brytanii.
W styczniu 2021 roku firma SuperOx ogłosiła komercjalizację nowego drutu nadprzewodzącego o prądzie przekraczającym 700 A/mm2.
Firma TAE Technologies ogłosiła, że jej urządzenie Norman utrzymywało temperaturę około 60 milionów stopni C przez 30 milisekund, odpowiednio 8 i 10 razy wyższą niż poprzednie urządzenia firmy. Twierdzono, że czas trwania jest ograniczony przez zasilacz, a nie przez urządzenie.
6 sierpnia 2021 r. National Ignition Facility zarejestrowało rekordowe 1,3 megadżula energii wytworzonej z syntezy jądrowej. Zostało to potwierdzone jako pierwszy przykład płonącej plazmy, w której reakcje syntezy jądrowej wykorzystano do wytworzenia wtórnych reakcji syntezy jądrowej wiosną 2022 roku.
Chiński eksperymentalny reaktor termojądrowy HL-2M osiągnął pierwsze wyładowanie plazmowe. W 2021 roku EAST ustanowił nowy rekord świata w przegrzanej plazmie, utrzymując temperaturę 120 M°C przez 101 sekund i szczytową wartość 160 M°C przez 20 sekund. W grudniu 2021 roku EAST ustanowił nowy rekord świata w plazmie wysokotemperaturowej (70 M ° C), wynoszący 1056 sekund.
Na początku 2022 r. JET utrzymywał moc 11 MW i wartość Q 0,33 przez ponad 5 sekund, wytwarzając 59,7 megadżuli, wykorzystując jako paliwo mieszankę deuteru i trytu. Wkrótce potem ogłoszono, że Tokamak Energy osiągnął rekordową temperaturę plazmy 100 milionów stopni Kelvina, wewnątrz komercyjnego kompaktowego tokamaka .
W grudniu 2022 r. NIF przeprowadził pierwszy naukowy eksperyment syntezy jądrowej z kontrolą progu rentowności, z przyrostem energii na poziomie 1,5.
Cytaty
Bibliografia
- Cockburn, Stewart (1981). Oliphant, życie i czasy Sir Marka Oliphanta . Davida Ellyarda. Adelajda: Aksjomat Książki. ISBN 0-9594164-0-4 . OCLC 8666832 .
- Dziekan, Stephen O. (16.11.2012). „Najlepsze źródło energii?” . Szukaj najlepszego źródła energii . Zielona energia i technologia. Nowy Jork, NY: Springer Nowy Jork. s. 233–238. doi : 10.1007/978-1-4614-6037-4_15 . ISBN 978-1-4614-6036-7 . Źródło 2021-06-14 .
Linki zewnętrzne
- „Muzeum nauki, Londyn - słynne eksperymenty z syntezą jądrową” . 2003-12-16. Zarchiwizowane od oryginału w dniu 16.12.2003 . Źródło 2022-11-06 .
- Burkart, Werner (21.09.2005). „Raport o stanie badań nad syntezą jądrową” . Fuzja jądrowa . 45 (10A). doi : 10.1088/0029-5515/45/10a/e01 . ISSN 0029-5515 . S2CID 250865675 .
|
Energia termojądrowa , procesy i urządzenia
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Podstawowe tematy | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Procesy, metody |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Urządzenia, eksperymenty |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
