National Compact Stellarator Experiment - National Compact Stellarator Experiment

Design tegning av NCSX

The National Compact Stellarator Experiment , NCSX i korte trekk , var et magnetisk fusjonsenergieksperiment basert på stellaratordesignet som ble konstruert ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).

NCSX var en av en rekke nye stellatordesigner fra 1990-tallet som oppstod etter studier illustrerte nye geometrier som ga bedre ytelse enn de enklere maskinene på 1950- og 1960-tallet. Sammenlignet med den vanligere tokamak var disse mye vanskeligere å designe og bygge, men produserte langt mer stabilt plasma, hovedproblemet med vellykket fusjon.

Designet viste seg å være for vanskelig å bygge, og kjørte gjentatte ganger over budsjett og tidslinjer. Prosjektet ble til slutt kansellert 22. mai 2008 etter å ha brukt over 70 millioner dollar.

Wendelstein 7-X utforsker mange av de samme konseptene som NCSX hadde til hensikt å.

Historie

Tidlige stellatorer

Stellarators er et av de første fusjonskraftkonseptene , opprinnelig designet av Princeton astrofysiker Lyman Spitzer i 1952 mens han kjørte stolheisene i Aspen . Spitzer, med tanke på bevegelsen av plasmaer i stjernene, innså at noen enkle arrangementer av magneter ikke ville begrense et plasma inne i en maskin - plasmaet ville drive over feltene og til slutt slå fartøyet. Løsningen hans var enkel; ved å bøye maskinen gjennom en 180 graders vri, og danne en figur åtte i stedet for en smultring, ville plasmaet vekselvis befinne seg på innsiden eller utsiden av fartøyet og drev i motsatt retning. Kanselleringen av nettdrift ville ikke være perfekt, men på papir så det ut til at forsinkelsen i drivhastigheter var mer enn nok til at plasmaet kunne nå fusjonsforhold.

I praksis viste det seg ikke å være det. Et problem som ble sett i alle fusjonsreaktorutforminger i tiden, var at plasmaionene drev mye raskere enn klassisk teori forutsa, hundrevis til tusen ganger raskere. Design som antydet stabilitet i størrelsesorden sekunder ble til maskiner som i beste fall var stabile i mikrosekunder. Ved midten av 1960-tallet så hele fusjonsenergifeltet ut. Det var bare introduksjonen i 1968 av tokamak- designen som reddet feltet; Sovjetiske maskiner utførte i det minste en størrelsesorden bedre enn vestlige design, selv om de fremdeles mangler praktiske verdier. Forbedringen var så dramatisk at arbeidet med andre design i stor grad endte da lag over hele verden begynte å studere tokamak-tilnærmingen. Dette inkluderte de nyeste stjernetegningene; den Modell C hadde nylig startet sin virksomhet, og ble raskt omgjort til Symmetrisk Tokamak.

På slutten av 1980-tallet var det klart at mens tokamak var et stort fremskritt, introduserte det også nye problemer. Spesielt var plasmastrømmen tokamak brukte for stabilisering og oppvarming i seg selv en kilde til ustabilitet etter hvert som strømmen vokste. Mye av de påfølgende 30 årene av tokamak-utvikling har fokusert på måter å øke denne strømmen til nivåene som kreves for å opprettholde nyttig fusjon, samtidig som det sikres at samme strøm ikke får plasmaet til å bryte opp.

Kompakte stellatorer

Da omfanget av problemet med tokamak ble tydelig, begynte fusjonsteam over hele verden å ta et nytt blikk på andre designkonsepter. Blant en rekke ideer som ble lagt merke til under denne prosessen, så det særlig ut til at stellatoren hadde en rekke potensielle endringer som ville forbedre ytelsen.

Den grunnleggende ideen til stellatoren var å bruke magnetenes utforming for å avbryte snart drift, men de enkle designene på 1950-tallet gjorde ikke dette i den grad det var nødvendig. Et større problem var ustabilitet og kollisjonseffekter som sterkt økte diffusjonshastighetene. På 1980-tallet ble det lagt merke til at en måte å forbedre tokamak-ytelsen på var å bruke ikke-sirkulære tverrsnitt for plasmaklemmeområdet; ioner som beveger seg i disse ikke-uniforme områdene, vil blande og bryte opp dannelsen av store ustabiliteter. Å bruke den samme logikken til stjernen syntes å gi de samme fordelene. Likevel, ettersom stellatoren manglet eller senket plasmastrømmen, ville plasmaet være mer stabilt fra starten.

Når man vurderer magnetoppsettet som trengs for å oppnå begge målene, en vridd bane rundt enhetens omkrets, så vel som mange mindre vendinger og blandinger underveis, blir designet ekstremt kompleks, langt utover evnene til konvensjonelle designverktøy. Det var bare ved bruk av massivt parallelle datamaskiner at designene kunne studeres i dybden, og passende magnetdesign ble opprettet. Resultatet var en veldig kompakt enhet, betydelig mindre utenfor enn en klassisk design for et gitt volum plasma, med lavt sideforhold . Lavere sideforhold er svært ønskelige, fordi de tillater at en maskin med en hvilken som helst gitt kraft blir mindre, noe som senker byggekostnadene.

På slutten av 1990-tallet hadde studiene til nye stellatordesigner nådd et passende punkt for konstruksjon av en maskin ved bruk av disse konseptene. Sammenlignet med stellatorene på 1960-tallet, kunne de nye maskinene bruke superledende magneter for mye høyere feltstyrker, være bare litt større enn Model C, men likevel ha langt større plasmavolum, og ha et plasmaareal inni som varierte fra sirkulært til plant og tilbake mens du vrir flere ganger.

NCSX design

Modulære spoler og forutsagt plasmaform
Plasmadetaljer
  • Stor radius: 1,4 m, Størrelsesforhold: 4,4,
  • Magnetisk felt: 1,2 T - 1,7 T (Opptil 2 T på aksen i 0,2 s)
  • kvasi-aksesymmetrisk felt, i alt 3 feltperioder. Sikter for beta > 0,04.
Magnetspoler
  • 18 modulære spoler (6 hver av typene A, B, C) av viklet kobbertråd, avkjølt med flytende nitrogen (LN2),
  • 18 toroidspoler, massivt kobber avkjølt med LN2,
  • 6 par poloidale feltspoler, solid kobber avkjølt med LN2,
  • 48 trimspoler.


De 18 modulære spolene har en komplisert 3D-form, ~ 9 forskjellige kurver i forskjellige plan. Noen av spolene vil trenge 15 minutter for å avkjøle mellom høye I 2 t plasmakjøringer.

Plasmaoppvarming
Fordi stjernen mangler tokamaks plasmastrøm som en form for oppvarming, oppnås oppvarming av plasma med eksterne enheter. Opptil 12 MW ekstern oppvarmingseffekt ville vært tilgjengelig for NCSX-kammeret, bestående av 6 MW fra tangensiell nøytral stråleinjeksjon , og 6 MW fra radiofrekvent (RF) oppvarming (egentlig en mikrobølgeovn ). Opp til 3 MW av elektron syklotronen oppvarming ville også ha vært tilgjengelig i fremtidige gjentakelser av design.

Baseline total prosjektkostnad på $ 102 millioner for ferdigstillelsesdatoen juli 2009.

Første kontrakter ble plassert i 2004.

NCSX konstruksjon

Konstruksjon av en modulær spole for NCSX

Med designet stort sett fullført begynte PPPL prosessen med å bygge en slik maskin, NCSX, som skulle teste alle disse konseptene. Designet brukte atten kompliserte håndviklede magneter, som deretter måtte settes sammen i en maskin der den maksimale variasjonen fra den perfekte plasseringen ikke var mer enn 1,5 millimeter (0,059 in) over hele enheten. Vakuumkaret som omgir alt dette var også veldig komplisert, med den ekstra komplikasjonen å bære alle ledningene for å føre strøm til magneter.

Monteringstoleransene var veldig stramme og krevde toppmoderne bruk av metrologisystemer , inkludert Laser Tracker og fotogrammetriutstyr . Det var behov for 50 millioner dollar ekstra finansiering, spredt over de neste 3 årene, for å fullføre forsamlingen innen toleransekrav. Komponenter til Stellaratoren ble målt med 3d laserskanning og inspisert for å designe modeller på flere trinn i produksjonsprosessen.

De nødvendige toleransene kunne ikke oppnås; Da modulene ble satt sammen, ble det funnet at delene var i kontakt, ville synke når de var installert, og andre uventede effekter gjorde justeringen veldig vanskelig. Rettelser ble arbeidet med designet, men hver av dem forsinket ferdigstillelsen ytterligere og krevde mer finansiering. (Kostnadsoverslaget for 2008 var $ 170 millioner med en planlagt ferdigstillelse i august 2013.) Til slutt ble det pålagt en go / no-go-betingelse, og da målet ikke ble oppfylt på budsjettet, ble prosjektet kansellert.

Arv

På grunn av kanselleringen i 2008 har prosjektet blitt sitert som en casestudie av den hypotetiske demon av byråkratisk kaos, som "blokkerer for at gode ting skjer" ved USAs energidepartement . Skjebnen minner om andre avdelinger for energiprosjekter, for eksempel Mirror Fusion Test Facility , som ble konstruert men aldri brukt, og Superconducting Super Collider , som kostet 2 milliarder dollar før den ble kansellert.

Se også

Referanser

Eksterne linker