Alcator C -Mod - Alcator C-Mod

Alcator C-Mod
Alcator C-Mod.jpg
Alcator C-Mod tokamak-eksperimentet ved MIT Plasma Science and Fusion Center. Oversikt som viser selve enheten (under betongskjerming) og diagnostikk i den omkringliggende bukten.
Enhetstype Tokamak
plassering Cambridge , Massachusetts , USA
Tilhørighet MIT Plasma Science and Fusion Center
Tekniske spesifikasjoner
Stor radius 0,68 m (2 fot 3 in)
Mindre radius 0,22 m (8,7 tommer)
Plasmavolum 1  m 3
Magnetfelt 3–8 T (30 000–80 000 G) (toroidal)
Plasmastrøm 0,4–2,0  MA (typisk)
Historie
Driftsår 1991–2016
Foregitt av Alcator C

Alcator C-Mod var en tokamak (en type magnetisk begrenset fusjonsenhet ) som opererte mellom 1991 og 2016 ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) Plasma Science and Fusion Center (PSFC). Alcator C-Mod er kjent for sitt høye toroidale magnetfelt (på opptil 8 Tesla ), og har verdensrekord for volumgennomsnittlig plasmatrykk i en magnetisk begrenset fusjonsenhet. Frem til det ble stengt i 2016, var det et av de største fusjonsforskningsanleggene i USA.

Alcator C-Mod var den tredje av Alcator ( Al to Ca mpo Tor o , High Field Torus) tokamak-serien, etter Alcator A (1973–1979) og Alcator B (1978–1987). Det var den største fusjonsreaktoren som ble drevet av et universitet og var en integrert del av det større Plasma Science and Fusion Center.

Historie

Alcator A.

På slutten av 1960-tallet ble magnetisk inneslutningsfusjonsforskning ved MIT utført på småskala "bordplater" -forsøk ved Research Laboratory for Electronics og Francis Bitter Magnet Laboratory . På dette tidspunktet utviklet Sovjetunionen en tokamak (selv om dette var ukjent i USA), og Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) utviklet stellaratoren .

Bruno Coppi jobbet på Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey og var interessert i det grunnleggende plasmafysiske problemet med plasmaresistivitet ved høye verdier av streamingparameteren , samt oppførselen til magnetisk begrensede plasma ved meget høye feltstyrker ( ≥ 10 T). I 1968 deltok Coppi på den tredje IAEA internasjonale konferansen om plasmafysikk og kontrollert kjernefusjonsforskning i Novosibirsk . På denne konferansen kunngjorde sovjetiske forskere at de hadde oppnådd elektrontemperaturer på over 1000 eV i en tokamak-enhet ( T-3 ).

Samme år ble Coppi utnevnt til professor ved MIT Department of Physics . Han samarbeidet umiddelbart med ingeniører ved Francis Bitter Magnet Laboratory , ledet av Bruce Montgomery, for å designe en kompakt (10 T på aksen) tokamak som han kalte Alcator . Navnet er en forkortelse av italienske Al til Ca mpo Tor o , som betyr "høyfelt torus". Med den senere konstruksjonen av Alcator C og deretter Alcator C-Mod, ble den originale Alcator omdøpt til retroaktiv til Alcator A.

Alcator ble godkjent av Atomic Energy Commission (AEC) i 1970 og ble først operert i 1972. Ytelsesproblemer (dårlig kvalitet på vakuum og lysbue i toroidfeltmagneter) førte til ombygging av maskinen i 1973–1974 med et nytt vakuumfartøy , med vitenskapelige resultater som begynte i 1974. Alcator A ble drevet av Bitter Laboratory sine 32 MW DC motorgeneratorer og var den første tokamak i verden som brukte en luftkjernetransformator for ohmisk strømdrift og oppvarming.

Alcator B og C

Suksessen til Alcator A førte til den konseptuelle designen, som begynte i 1975, av en større maskin kalt Alcator B. Imidlertid var motorgeneratorene som ble brukt til Alcator A ikke kraftige nok til å kjøre den nye maskinen, noe som nødvendiggjorde kjøp og installasjon av nye strømforsyninger, en kostnad som Energy Research and Development Administration (ERDA) ikke var villig til å finansiere. ERDA var imidlertid begeistret for å bygge en annen Alcator, og en løsning ble funnet: En 225 MVA generator ble donert til MIT av Con Ed fra et anlegg på East River i New York City. Den konseptuelle designen ble endret for å imøtekomme den forskjellige strømforsyningen, og prosjektet ble omdøpt til Alcator C.

Alcator C ble offisielt godkjent i 1976. Samme år ble Plasma Fusion Center (nå Plasma Science and Fusion Center) skilt ut fra Francis Bitter Magnet Laboratory. Byggingen av Alcator C gikk raskt og første tester ble utført i slutten av 1977. Dynamoen kom fra Con Ed i begynnelsen av 1978 (transporten ble komplisert av snøstormen i 1978 ) og ble innlemmet i systemet sommeren 1978. Scientific driften startet i september samme år.

Alcator C var en større maskin ( R 0  = 0,64 m) og opererte på et høyere felt ( B 0  ≤ 13 T) enn Alcator A. Med tillegg av 4 MW lavere hybridoppvarming i 1982, ble elektrontemperaturer over 3,0 keV nådd . Selv om Alcator C opprinnelig ikke hadde forventet energibegrensningstid, på grunn av begynnelsen av turbulens for ionetemperaturgradient ved høye verdier av , ble pelletsdrivstoff brukt til å produsere toppede tetthetsprofiler og verdier av n τ -produktet på over 0,8 × 10 20  s · M −3 ble oppnådd i 1983.

Ufinansierte ideer og C-Mod-forslaget

Flere ideer for nye enheter og oppgraderinger på PSFC ble aldri finansiert. Fra 1978 til 1980 ble det utført en designaktivitet for Alcator D, en større versjon av Alcator C som ville tillate mer oppvarmingskraft, og muligens til og med deuterium - tritium (D - T) drift. Denne designen ble aldri formelt foreslått for Department of Energy (DOE), men fortsatte å utvikle seg under Coppis ledelse og ble til slutt den italiensk -russiske IGNITOR -enheten som var planlagt for bygging på TRINITY nær Troitsk , Russland.

I 1982 ble en annen mer ambisiøs enhet kalt Alcator DCT unnfanget. Denne maskinen vil ha superledende spoler som produserer 7 T på aksen. 4 MW med lavere hybridstrøm ville drive et steady-state plasma med 1,4 MA plasmastrøm. Ettersom dette designet lignet på franske Tore Supra , ble det holdt et felles fransk -amerikansk verksted i Cadarache i 1983 for å sammenligne de to designene og utveksle ideer. Alcator DCT ble formelt foreslått for DOE i slutten av 1983, men ble ikke finansiert.

På den tiden hadde budsjettet for forskning på magnetisk fusjonsenergi i USA økt fra år til år og nådde en topp på 468,4 millioner dollar i regnskapsåret 1984. Det året ble PSFC varslet om at budsjettene for en tid ville falle , og DOEs policy ville være å bare finansiere oppgraderinger til eksisterende enheter, ikke nye maskiner. Dermed ble designarbeid påbegynt på en kobberspiralmaskin som ville gjenbruke noen av strømforsyningene fra Alcator C, slik at teamet kunne sette det som en "modifikasjon" til Alcator C. Den konseptuelle designen ble fullført og Alcator C-Mod ble formelt foreslått for DOE i slutten av 1985. Prosjektet ble godkjent og bygging ble godkjent i 1986.

Kjennetegn

Innvendig utsikt over tokamaken som viser molybdenpanselen på veggen. Tre Ion Cyclotron Frequency Range (ICRF) oppvarmingsantenner er synlige-to til venstre med to kobberstropper hver, og den fire-stropps "feltjusterte" antennen (installert 2011) til høyre.

Varme og strømdrift

Alcator C-Mod bruker ion cyclotron range frequenties (ICRF) oppvarming som sin primære tilleggsvarme. Kildefrekvensen er 80 MHz, og standard minoritetsoppvarmingsscenarier er D (H) for 4,4–6,9 T og D (3He) for høyfeltdrift (7,3–8,0 T). En minoritetsart (hydrogen eller He3) er indikert, og ICRH-scenarier bruker et tokomponentplasma.

Absorpsjonseffektiviteten varierer med minoritetskonsentrasjonen. Det er også mulig å overføre mellom minoritets- og moduskonvertering (MC) oppvarming ved å variere minoritetens artskonsentrasjon. Den relative H -fraksjonen kan skannes fra omtrent 2–30% via gasspusting og måles ved hjelp av passiv ladningsutveksling. Den relative He3 -fraksjonskonsentrasjonen kan også skannes fra omtrent 2–30% via gasspusting. Fasekontrastavbildning (PCI) kan brukes til å måle moduskonverterte bølger direkte i plasmaet.

Minoritetsoppvarming

Minoritetsoppvarming er det vanligste scenariet som brukes på C-Mod. ICRF -varmesystemet opererer ved 80 MHz i D (H) -plasmaer. Denne frekvensen tilsvarer minoritets-grunnleggende syklotronresonans av protoner på 5,3 T på aksen og absorberer raske bølger av hydrogenminoritetsarter i et deuteriumplasma. Det kan være veldig effektivt (typisk enkeltpass-absorpsjon i C-Mod er 80–90% for minoritetskonsentrasjoner på 5–10%). Minoritetsoppvarming ved 80 MHz og 7,9 T i et deuterium majoritetsplasma oppnås ved bruk av He3 minoritetsresonans (på aksen), men absorbering av enkeltpass med He3 minoritetsioner i deuterium har en tendens til å være mye lavere enn for protoner (f.eks. Minoritetsoppvarmingsscenariet ved 5,3–5,4 T).

Modus konvertering oppvarming

Moduskonvertering av en rask magnetosonisk bølge til en ion -cyklotronbølge og ion Bernstein -bølge i ion -cyclotron -frekvensområdet (ICRF) kan brukes til å varme elektroner. Oppvarming av moduskonvertering utføres ved C-Mod ved bruk av ICRF i D (3He) -plasmaer.

Lavere hybridstrømdrift

Lavere hybridstrømdrift (LHCD) (basert på lavere hybridoscillasjon) brukes til å supplere strømmen drevet av den ohmiske transformatoren . LHCD -systemet er i stand til å levere 1,0+ MW mikrobølgeeffekt (planlagt oppgradering til 2 MW eller mer med tillegg av en annen antenne i 2013) til plasmaet på 4,6 GHz. Kraften leveres av 250 kW klystron mikrobølgeforsterkere produsert av CPI, Inc. Ikke- induktiv drift for opptil 0,5 s pulser ved 500 kA ble oppnådd. Lavere hybridbølger lanseres fortrinnsvis i retning motsatt plasmastrømmen (dvs. i retning av elektronbevegelse) og avsetter energi på elektroner som beveger seg omtrent tre ganger termisk hastighet via Landau -demping . Et stort område av LHCD forskning har vært i området fra gjeldende stasjon ved de høye densiteter (n e > 10 20 m -3 ) som kreves for en fusjon kraftverk.

Panoramautsikt over tokamak yttervegg sydd fra 273 bilder. Den roterte ion-cyklotronfrekvensantennen med sine fire kobberantennestropper kan sees til venstre. Lower Hybrid Launcher med rutenettet med små rektangulære bølgeledere kan sees i midten, og de ikke-roterte Ion-Cyclotron-frekvensantennene er mot høyre med fire kobberstropper. Inngangen til den nøytrale strålen er det store sirkulære hullet nær høyre.

2013–2016: Sluttdrift og nedleggelse

Alcator C-Mod var planlagt å stenge i oktober 2013. Imidlertid utgav utgiftsregningen fra kongressen i 2014 eksplisitt driften av eksperimentet, og ga 22 millioner dollar. Den eksperimentelle operasjonen ble startet på nytt i februar 2014.

Finansieringen ble nok en gang utvidet for FY 2015, selv om omnibusregningen som ga finansieringen eksplisitt uttalte at det ikke ville bli gitt midler utover FY 2016.

I 2016 satte Alcator C-Mod verdensrekord for plasmatrykk i en magnetisk begrenset fusjonsenhet og nådde 2,05 atmosfærer-et hopp på 15 prosent over den forrige rekorden på 1,77 atmosfærer (også holdt av Alcator C-Mod). Dette rekordplasmaet hadde en temperatur på 35 millioner grader C, varte i 2 sekunder og ga 600 billioner fusjonsreaksjoner. Løpet involverte operasjon med et toroidalt magnetfelt på 5,7 tesla. Den nådde denne milepælen på den siste operasjonsdagen.

Etter at operasjonen var fullført i slutten av september 2016, har anlegget blitt satt i sikker avstengning, uten ytterligere eksperimenter planlagt på dette tidspunktet. Det er et vell av data arkivert fra de mer enn 20 års operasjonene, og de eksperimentelle og teoretiske teamene fortsetter å analysere resultatene og publisere dem i vitenskapelig litteratur.

Alcator C-Mod plasmatrykkrekord på 2,05 atmosfære vil sannsynligvis holde en stund. Den eneste maskinen som for tiden er under konstruksjon som er spådd å slå denne rekorden, er ITER tokamak i Frankrike. ITER forventes ikke å være fullt i drift før i 2032, noe som betyr at Alcator C-Mods rekord vil vare i 15 år med mindre en annen ny enhet er konstruert før da.

Referanser

Kilder

Fotnoter

Eksterne linker