Testowy reaktor fuzyjny Tokamaka

TFTR

Testowy reaktor termojądrowy Tokamak
TFTR w 1989 roku
Rodzaj urządzenia	Tokamak
Lokalizacja	Princeton , New Jersey , USA
Przynależność	Laboratorium Fizyki Plazmy Princeton
Specyfikacja techniczna
Główny promień	2,52 m (8 stóp 3 cale)
Mały promień	0,87 m (2 stopy 10 cali)
Pole magnetyczne	6,0 T (60 000 G) (toroidalny)
Moc grzewcza	51 MW
Prąd plazmy	3 MA
Historia
Rok (lata) działalności	1982–1997
Poprzedzony	Duży torus Princeton (PLT)
zastąpiony przez	Krajowy Eksperyment Torusa Sferycznego (NSTX)
Powiązane urządzenia	JT-60

Tokamak Fusion Test Reactor ( TFTR ) był eksperymentalnym tokamakiem zbudowanym w Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) około 1980 roku i wszedł do służby w 1982 roku. TFTR został zaprojektowany z wyraźnym celem osiągnięcia naukowego progu rentowności , punktu, w którym ciepło jest uwalniane z reakcje syntezy jądrowej w plazmie są równe lub większe niż ciepło dostarczane do plazmy przez zewnętrzne urządzenia w celu jej ogrzania.

TFTR nigdy nie osiągnął tego celu, ale przyniósł znaczne postępy w czasie uwięzienia i gęstości energii. Było to pierwsze na świecie urządzenie do fuzji magnetycznej, które przeprowadzało szeroko zakrojone eksperymenty naukowe z plazmą składającą się z 50/50 deuteru/trytu (DT), mieszanki paliwowej wymaganej do praktycznej produkcji energii termojądrowej, a także pierwszym, które wytworzyło ponad 10 MW energii termojądrowej . Ustanowił kilka rekordów mocy wyjściowej, maksymalnej temperatury i potrójnego produktu syntezy jądrowej .

TFTR zamknięto w 1997 roku po piętnastu latach działalności. PPPL wykorzystał wiedzę z TFTR, aby rozpocząć badanie innego podejścia, sferycznego tokamaka , w swoim National Spherical Torus Experiment . Japoński JT-60 jest bardzo podobny do TFTR, oba wzorują się na kluczowych innowacjach wprowadzonych przez Shoichi Yoshikawę (1934-2010) podczas jego pracy w PPPL w latach 70.

Ogólny

W syntezie jądrowej istnieją dwa rodzaje reaktorów wystarczająco stabilnych, aby przeprowadzić syntezę jądrową: reaktory magnetyczne i reaktory inercyjne. Pierwsza metoda fuzji ma na celu wydłużenie czasu, jaki jony spędzają blisko siebie, aby je połączyć, podczas gdy druga ma na celu fuzję jonów tak szybko, że nie mają czasu na oddalenie się od siebie. Reaktory z uwięzieniem bezwładnościowym, w przeciwieństwie do reaktorów z uwięzieniem magnetycznym, wykorzystują syntezę laserową i wiązkę jonów do przeprowadzenia syntezy jądrowej. Jednak dzięki reaktorom z magnetycznym zamknięciem można uniknąć problemu znalezienia materiału, który wytrzyma wysokie temperatury reakcji syntezy jądrowej. Prąd grzejny jest indukowany przez zmieniające się pola magnetyczne w centralnych cewkach indukcyjnych i przekracza milion amperów. Urządzenia do fuzji magnetycznej utrzymują gorącą plazmę z dala od ścian jej pojemnika, utrzymując ją w ruchu po kołowych lub spiralnych ścieżkach za pomocą siły magnetycznej działającej na naładowane cząstki i siły dośrodkowej działającej na poruszające się cząstki.

Historia

Tokamak

Na początku lat sześćdziesiątych pole energii syntezy jądrowej rozrosło się na tyle, że naukowcy zaczęli organizować półroczne spotkania, które obracały się wokół różnych instytucji badawczych. W 1968 roku doroczne spotkanie odbyło się w Nowosybirsku , gdzie sowiecka delegacja zaskoczyła wszystkich, twierdząc, że ich projekty tokamaków osiągnęły poziom wydajności co najmniej o rząd wielkości lepszy niż jakiekolwiek inne urządzenie. Twierdzenia początkowo spotkały się ze sceptycyzmem, ale kiedy w następnym roku wyniki zostały potwierdzone przez zespół z Wielkiej Brytanii, ten ogromny postęp doprowadził do „wirtualnej paniki” w budowie tokamaka.

W Stanach Zjednoczonych jednym z głównych podejść badanych do tej pory był stellarator , której rozwój ograniczono prawie wyłącznie do PPPL. Ich najnowszy projekt, Model C, niedawno wszedł do eksploatacji i wykazał wydajność znacznie poniżej teoretycznych obliczeń, daleką od użytecznych liczb. Po potwierdzeniu wyników w Nowosybirsku natychmiast przystąpiono do konwersji Modelu C na układ tokamaka, znanego jako Symetryczny Tokamak (ST). Ukończono to w krótkim czasie zaledwie ośmiu miesięcy, wchodząc do służby w maju 1970 roku. Skomputeryzowana diagnostyka ST pozwoliła mu szybko dopasować wyniki sowieckie i od tego momentu cały świat syntezy jądrowej był coraz bardziej skoncentrowany na tym projekcie, a nie na jakimkolwiek innym.

Wielki torus Princeton

We wczesnych latach siedemdziesiątych Shoichi Yoshikawa przyglądał się koncepcji tokamaka. Zauważył, że wraz ze wzrostem wielkości mniejszej osi reaktora (średnicy rury) w stosunku do jego głównej osi (średnicy całego układu) system stawał się bardziej wydajny. Dodatkową korzyścią było to, że wraz ze wzrostem mniejszej osi skracał się czas utrzymywania z tego prostego powodu, że jony paliwa potrzebowały więcej czasu na dotarcie na zewnątrz reaktora. Doprowadziło to do powszechnej akceptacji, że projekty o niższych proporcjach były kluczowym postępem w stosunku do wcześniejszych modeli.

Doprowadziło to do powstania Wielkiego Torusa Princeton (PLT), który został ukończony w 1975 roku. Ten system odniósł sukces do tego stopnia, że ​​szybko osiągnął granice swojego omowego systemu grzewczego, systemu przepuszczającego prąd przez plazmę w celu jej ogrzania. Wśród wielu zaproponowanych pomysłów na dalsze ogrzewanie, we współpracy z Oak Ridge National Laboratory , PPPL opracowało pomysł iniekcji wiązki neutralnej . Wykorzystano w nim akceleratory małych cząstek do wtryskiwania atomów paliwa bezpośrednio do plazmy, zarówno podgrzewając ją, jak i dostarczając świeże paliwo.

Po wielu modyfikacjach systemu wstrzykiwania wiązki, nowo wyposażony PLT zaczął bić rekordy i ostatecznie wykonał kilka testów w temperaturze 60 milionów K, co jest więcej niż wystarczające dla reaktora termojądrowego. Aby osiągnąć kryterium zapłonu Lawsona , wystarczyła jedynie wyższa gęstość plazmy i wydawało się, że nie ma powodu, dla którego nie byłoby to możliwe w większej maszynie. Panowało powszechne przekonanie, że próg rentowności zostanie osiągnięty w latach siedemdziesiątych.

Koncepcja TFTR

Wewnątrz naczynia plazmowego TFTR

Po sukcesie PLT i innych kolejnych projektów, podstawową koncepcję uznano za dobrze zrozumianą. PPPL rozpoczęło projektowanie znacznie większego następcy PLT, który zademonstrowałby spalanie plazmy w trybie pulsacyjnym.

W lipcu 1974 roku Departament Energii (DOE) zorganizował duże spotkanie, w którym uczestniczyły wszystkie główne laboratoria syntezy jądrowej. Wśród uczestników godny uwagi był Marshall Rosenbluth , teoretyk, który miał zwyczaj studiowania maszyn i znajdowania różnych nowych niestabilności, które zrujnowałyby zamknięcie. Ku zaskoczeniu wszystkich, na tym spotkaniu nie zgłosił żadnych nowych zastrzeżeń. Wydawało się, że droga do progu rentowności jest jasna.

Ostatnim krokiem przed atakiem na próg rentowności byłoby stworzenie reaktora, który działałby na mieszaninie deuteru i trytu , w przeciwieństwie do wcześniejszych maszyn, które działały na samym deuterze. Stało się tak, ponieważ tryt był zarówno radioaktywny , jak i łatwo wchłaniany przez organizm, stwarzając problemy związane z bezpieczeństwem, które czyniły go drogim w użyciu. Powszechnie uważano, że wydajność maszyny działającej na samym deuterze będzie zasadniczo identyczna z wydajnością maszyny działającej na DT, ale to założenie wymagało sprawdzenia. Przeglądając projekty prezentowane na spotkaniu, zespół DOE wybrał projekt Princeton.

Bob Hirsch, który niedawno przejął komitet sterujący DOE, chciał zbudować maszynę testową w Oak Ridge National Laboratory (ORNL), ale inni w dziale przekonali go, że bardziej sensowne byłoby zrobienie tego w PPPL. Argumentowali, że zespół z Princeton byłby bardziej zaangażowany niż zespół ORNL zarządzający czyimś projektem. Gdyby powstał prototyp inżynieryjny systemu komercyjnego, można by go zbudować w Oak Ridge. Nadali projektowi nazwę TFTR i udali się do Kongresu po dofinansowanie, które zostało przyznane w styczniu 1975 roku. Prace projektowe koncepcyjne trwały przez cały 1975 rok, a projekt wykonawczy rozpoczęto w następnym roku.

TFTR byłby największym tokamakiem na świecie; dla porównania, oryginalny ST miał średnicę plazmy 12 cali (300 mm), podczas gdy kolejny projekt PLT miał 36 cali (910 mm), a TFTR miał mieć 86 cali (2200 mm). To sprawiło, że był mniej więcej dwukrotnie większy niż inne wielkoskalowe maszyny tamtej epoki; Joint European Torus z 1978 roku i mniej więcej równoległy JT-60 miały mniej więcej połowę średnicy.

Ponieważ PLT nadal generował coraz lepsze wyniki, w latach 1978 i 79 dodano dodatkowe fundusze i zmieniono projekt, aby osiągnąć długo poszukiwany cel „naukowego progu rentowności”, gdy ilość energii wytwarzanej w reakcjach syntezy jądrowej w plazmie była równa do ilości energii dostarczanej do niego w celu podgrzania go do temperatur roboczych. Znany również jako Q = 1, jest to ważny krok na drodze do użytecznych projektów wytwarzania energii. Aby sprostać temu wymogowi, system ciepłowniczy został zmodernizowany do 50 MW, a ostatecznie do 80 MW.

Operacje

Budowę rozpoczęto w 1980 r., a TFTR rozpoczął wstępną działalność w 1982 r. Nastąpił długi okres docierania i testowania. W połowie lat 80. na dobre rozpoczęto testy z deuterem, aby zrozumieć jego działanie. W 1986 roku wyprodukował pierwsze „superstrzały”, które wytworzyły wiele neutronów termojądrowych. Pokazały one, że system może osiągnąć cele pierwotnego projektu z 1976 roku; wydajność podczas pracy na deuterze była taka, że ​​​​po wprowadzeniu trytu oczekiwano, że wytworzy około 3,5 MW energii termojądrowej. Biorąc pod uwagę energię w systemach grzewczych, stanowiło to Q około 0,2, czyli tylko około 20% zapotrzebowania na próg rentowności.

Dalsze testy ujawniły jednak poważne problemy. Aby osiągnąć próg rentowności, system musiałby osiągnąć kilka celów jednocześnie, połączenie temperatury, gęstości i długości czasu, w którym paliwo jest ograniczone. W kwietniu 1986 roku eksperymenty TFTR wykazały dwa ostatnie z tych wymagań, kiedy wyprodukowano potrójny produkt syntezy jądrowej o wymiarach 1,5 x 10 ¹⁴ Sekundy Kelvina na centymetr sześcienny, czyli blisko celu dla praktycznego reaktora i pięć do siedmiu razy więcej niż potrzeba do osiągnięcia progu rentowności. Jednak miało to miejsce w temperaturze znacznie niższej od wymaganej. W lipcu 1986 r. TFTR osiągnął temperaturę plazmy 200 milionów kelwinów (200 MK), w tamtym czasie najwyższą, jaką kiedykolwiek osiągnięto w laboratorium. Temperatura jest 10 razy wyższa niż w środku słońca i więcej niż wystarczająca do osiągnięcia progu rentowności. Niestety, aby osiągnąć te temperatury, potrójny iloczyn został znacznie zredukowany do 10 ¹³ , dwa lub trzy razy za mało, aby osiągnąć próg rentowności.

Jednocześnie kontynuowano główne wysiłki zmierzające do osiągnięcia tych warunków. Donald Grove, kierownik projektu TFTR, powiedział, że spodziewają się osiągnąć ten cel w 1987 r. Po tym nastąpią testy DT, które faktycznie przyniosą próg rentowności, począwszy od 1989 r. Niestety, system nie był w stanie osiągnąć żadnego z tych celów. Przyczyny tych problemów były intensywnie badane w następnych latach, co doprowadziło do nowego zrozumienia niestabilności plazmy o wysokiej wydajności, której nie obserwowano w mniejszych maszynach. Głównym rezultatem kłopotów TFTR było opracowanie wysoce niejednorodnych przekrojów poprzecznych plazmy, w szczególności plazmy w kształcie litery D, która obecnie dominuje w tej dziedzinie.

Późniejsze eksperymenty

Chociaż stało się jasne, że TFTR nie osiągnie progu rentowności, eksperymenty z użyciem trytu rozpoczęły się na dobre w grudniu 1993 r., jako pierwsze takie urządzenie, które przeszło głównie na to paliwo. W 1994 roku ustanowił ówczesny rekord świata 10,7 megawatów energii termojądrowej z plazmy 50-50 DT (przekroczony w JET w Wielkiej Brytanii, która wygenerowała 16 MW z 24 MW wprowadzonej mocy cieplnej w 1997 r.). W obu eksperymentach zwrócono uwagę na cząstki alfa wytwarzane w reakcjach deuter-tryt, które są ważne dla samonagrzewania się plazmy i stanowią ważną część każdego projektu operacyjnego. W 1995 roku TFTR osiągnął światowy rekord temperatury 510 milionów °C – ponad 25 razy więcej niż w centrum Słońca. Ten później został pokonany w następnym roku przez JT-60 Tokamak, który osiągnął temperaturę jonów 522 milionów ° C (45 keV). Również w 1995 roku naukowcy z TFTR zbadali nowy, podstawowy sposób utrzymywania plazmy – ulepszone odwrócone ścinanie, w celu zmniejszenia turbulencji plazmy.

TFTR pozostawał w użyciu do 1997 roku. Został rozebrany we wrześniu 2002 roku, po 15 latach eksploatacji.

Po nim pojawił się kulisty tokamak NSTX .

Zobacz też

• Lista eksperymentów syntezy jądrowej