Tokamak Fusion Test Reactor - Tokamak Fusion Test Reactor
| Tokamak Fusion Test Reactor | |
|---|---|
 TFTR i 1989
| |
| Enhetstype | Tokamak |
| plassering | Princeton , New Jersey , USA |
| Tilhørighet | Princeton Plasma Physics Laboratory |
| Tekniske spesifikasjoner | |
| Stor radius | 2,52 m (8 fot 3 tommer) |
| Mindre radius | 0,87 m (2 fot 10 tommer) |
| Magnetfelt | 6,0 T (60 000 G) (toroidal) |
| Varmekraft | 51 MW |
| Plasmastrøm | 3 MA |
| Historie | |
| Driftsår | 1982–1997 |
| Foregitt av | Princeton Large Torus (PLT) |
| etterfulgt av | Nasjonalt sfærisk Torus -eksperiment (NSTX) |
| Relaterte enheter | JT-60 |
Den Tokamak Fusion Test Reactor ( TFTR ) var et eksperimentelt tokamak bygget ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ca 1980 og inn til tjeneste i 1982. TFTR er designet med uttalt mål om å nå vitenskapelig breakeven , punktet hvor varmen blir gitt ut fra fusjonsreaksjoner i plasmaet er lik eller større enn oppvarmingen som tilføres plasmaet av eksterne enheter for å varme det opp.
TFTR oppnådde aldri dette målet, men det ga store fremskritt innen innesperringstid og energitetthet. Det var verdens første magnetiske fusjonsenhet som utførte omfattende vitenskapelige eksperimenter med plasma består av 50/50 deuterium/tritium (DT), drivstoffblandingen som kreves for praktisk fusjonskraftproduksjon, og også den første som produserte mer enn 10 MW fusjonskraft . Det satte flere rekorder for effekt, maksimal temperatur og fusjonert trippelprodukt .
TFTR stengte i 1997 etter femten års drift. PPPL brukte kunnskapen fra TFTR til å begynne å studere en annen tilnærming, den sfæriske tokamak , i sitt nasjonale sfæriske Torus -eksperiment . Den japanske JT-60 ligner veldig på TFTR, og begge sporer designet til viktige innovasjoner introdusert av Shoichi Yoshikawa i løpet av hans tid på PPPL på 1970-tallet.
Generell
I atomfusjon er det to typer reaktorer som er stabile nok til å gjennomføre fusjon: magnetiske inneslutningsreaktorer og treghetsinneslutningsreaktorer. Den tidligere fusjonsmetoden søker å forlenge tiden som ioner bruker tett sammen for å smelte dem sammen, mens sistnevnte har som mål å smelte ionene så fort at de ikke har tid til å bevege seg fra hverandre. Inertial inneslutningsreaktorer, i motsetning til magnetiske inneslutningsreaktorer, bruker laserfusjon og ionestrålesmelting for å utføre fusjon. Med magnetiske inneslutningsreaktorer unngår du imidlertid problemet med å måtte finne et materiale som tåler de høye temperaturene i kjernefusjonsreaksjoner. Varmestrømmen induseres av de skiftende magnetfeltene i sentrale induksjonsspoler og overstiger en million ampere. Magnetiske fusjonsenheter holder det varme plasmaet ute av kontakt med veggene i beholderen ved å holde det i bevegelse i sirkulære eller spiralformede baner ved hjelp av magnetisk kraft på ladede partikler og med en sentripetalkraft som virker på de bevegelige partiklene.
Historie
Tokamak
På begynnelsen av 1960-tallet hadde fusjonskraftfeltet vokst seg stort nok til at forskerne begynte å organisere halvårlige møter som roterte rundt de forskjellige forskningsinstitusjonene. I 1968 ble det nå årlige møtet avholdt i Novosibirsk , der den sovjetiske delegasjonen overrasket alle med å hevde at tokamak- designene deres hadde nådd ytelsesnivåer minst en størrelsesorden bedre enn noen annen enhet. Påstandene ble opprinnelig møtt med skepsis, men da resultatene ble bekreftet av et britisk team neste år, førte dette enorme fremskrittet til en "virtuell stampede" av tokamak -konstruksjon.
I USA var en av de viktigste tilnærmingene som ble studert fram til dette punktet stellaratoren , hvis utvikling nesten helt var begrenset til PPPL. Deres siste design, Model C, hadde nylig gått i drift og demonstrert ytelse langt under teoretiske beregninger, langt fra nyttige tall. Med bekreftelsen på Novosibirsk -resultatene begynte de umiddelbart å konvertere Model C til et tokamak -oppsett, kjent som Symmetrical Tokamak (ST). Dette ble fullført på den korte tiden på bare åtte måneder, og begynte i tjeneste i mai 1970. STs datastyrt diagnostikk lot det raskt matche de sovjetiske resultatene, og fra det tidspunktet ble hele fusjonsverdenen i økende grad fokusert på dette designet fremfor noe annet.
Princeton Large Torus
På begynnelsen av 1970 -tallet så Shoichi Yoshikawa på tokamak -konseptet. Han bemerket at ettersom størrelsen på reaktorens mindre akse (rørets diameter) økte i forhold til dens hovedakse (diameteren på hele systemet) ble systemet mer effektivt. En ekstra fordel var at etter hvert som den mindre aksen økte, ble innesperringstiden forbedret av den enkle grunn at det tok lengre tid før drivstoffionene kom til utsiden av reaktoren. Dette førte til utbredt aksept for at design med lavere sideforhold var et sentralt fremskritt i forhold til tidligere modeller.
Dette førte til Princeton Large Torus (PLT), som ble fullført i 1975. Dette systemet var vellykket til det punktet hvor det raskt nådde grensene for sitt ohmende varmesystem, systemet som passerte strøm gjennom plasmaet for å varme det. Blant de mange forslagene til videre oppvarming, utviklet PPPL i samarbeid med Oak Ridge National Laboratory ideen om nøytral stråleinjeksjon . Dette brukte småpartikkelakseleratorer for å injisere drivstoffatomer direkte i plasmaet, både varme det opp og gi nytt drivstoff.
Etter en rekke modifikasjoner av stråleinnsprøytningssystemet begynte den nylig utstyrte PLT -en å sette rekorder og til slutt foretok flere testkjøringer på 60 millioner K, mer enn nok for en fusjonsreaktor. For å nå Lawson -kriteriet for tenning var alt som trengs høyere plasmatetthet, og det syntes ikke å være noen grunn til at dette ikke ville være mulig i en større maskin. Det var utbredt oppfatning at break-even ville oppnås i løpet av 1970-årene.
TFTR -konsept
.jpg)
Etter suksessen med PLT og andre oppfølgingsdesigner ble grunnkonseptet ansett som godt forstått. PPPL begynte designet med en mye større etterfølger til PLT som skulle demonstrere plasmabrenning i pulserende drift.
I juli 1974 holdt Department of Energy (DOE) et stort møte der alle de store fusjonslaboratoriene deltok. Bemerkelsesverdig blant deltakerne var Marshall Rosenbluth , en teoretiker som hadde en vane å studere maskiner og finne en rekke nye ustabilitet som ville ødelegge innesperring. Til alles overraskelse klarte han ikke på dette møtet å ta opp noen nye bekymringer. Det så ut til at veien til break-even var klar.
Det siste trinnet før angrepet på break-even ville være å lage en reaktor som kjørte på en blanding av deuterium og tritium , i motsetning til tidligere maskiner som kjørte på deuterium alene. Dette var fordi tritium var både radioaktivt og lett absorberes i kroppen, og presenterte sikkerhetsproblemer som gjorde det dyrt å bruke. Det var allment antatt at ytelsen til en maskin som kjører på deuterium alene i utgangspunktet ville være identisk med en som kjører på DT, men denne antagelsen måtte testes. Da vi så på designene som ble presentert på møtet, valgte DOE -teamet Princeton -designet.
Bob Hirsch , som nylig overtok DOE -styrekomiteen, ønsket å bygge testmaskinen ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL), men andre i avdelingen overbeviste ham om at det ville være mer fornuftig å gjøre det på PPPL. De hevdet at et Princeton -team ville være mer involvert enn et ORNL -team som driver andres design. Hvis en teknisk prototype av et kommersielt system fulgte, kunne det bli bygget på Oak Ridge. De ga prosjektet navnet TFTR og gikk til kongressen for finansiering, som ble gitt i januar 1975. Konseptuelt designarbeid ble utført gjennom hele 1975, og detaljert design begynte neste år.
TFTR ville være den største tokamak i verden; til sammenligning hadde den originale ST en plasmadiameter på 12 tommer (300 mm), mens den videre PLT-designen var 36 tommer (910 mm), og TFTR ble designet til å være 86 tommer (2200 mm). Dette gjorde det omtrent dobbelt så stort som andre store maskiner i tiden; Joint European Torus fra 1978 og omtrent samtidig JT-60 var begge omtrent halvparten av diameteren.
Etter hvert som PLT fortsatte å generere bedre og bedre resultater, i 1978 og 79, ble ytterligere finansiering lagt til og designet endret for å nå det etterlengtede målet om "vitenskapelig breakeven" når mengden kraft produsert av fusjonsreaksjonene i plasmaet var lik til mengden strøm som mates inn i den for å varme den til driftstemperaturer. Også kjent som Q = 1, er dette et viktig skritt på veien til nyttige kraftproduserende design. For å oppfylle dette kravet ble varmesystemet oppgradert til 50 MW, og til slutt til 80 MW.
Operasjoner
Byggingen begynte i 1980 og TFTR begynte sin første drift i 1982. En lang periode med innbrudd og testing fulgte. På midten av 1980-tallet begynte tester med deuterium for alvor for å forstå ytelsen. I 1986 produserte den de første 'supershots' som produserte mange fusjonsnøytroner. Disse demonstrerte at systemet kunne nå målene for det første designet fra 1976; ytelsen ved kjøring på deuterium var slik at hvis tritium ble introdusert forventet den å produsere omtrent 3,5 MW fusjonskraft. Gitt energien i varmesystemene, representerte dette en Q på omtrent 0,2, eller omtrent bare 20% av kravet til break-even.
Ytterligere testing avslørte imidlertid betydelige problemer. For å nå break-even må systemet oppfylle flere mål samtidig, en kombinasjon av temperatur, tetthet og hvor lang tid drivstoffet er begrenset. I april 1986 demonstrerte TFTR -eksperimenter de to siste av disse kravene da det produserte et fusjonert trippelprodukt på 1,5 x10 14 Kelvin sekunder per kubikkcentimeter, som er nær målet for en praktisk reaktor og fem til syv ganger det som trengs for breakeven. Dette skjedde imidlertid ved en temperatur som var langt under det som ville kreves. I juli 1986 oppnådde TFTR en plasmatemperatur på 200 millioner kelvin (200 MK), på den tiden den høyeste som noen gang er nådd på et laboratorium. Temperaturen er 10 ganger større enn sentrum av solen, og mer enn nok for breakeven. Dessverre, for å nå disse temperaturene hadde trippelproduktet blitt sterkt redusert til10 13 , to eller tre ganger for liten for break-even.
Store anstrengelser for å nå disse forholdene fortsatte samtidig. Donald Grove, TFTR -prosjektleder, sa at de forventet å nå dette målet i 1987. Dette ville bli fulgt med DT -tester som faktisk ville produsere breakeven, som begynte i 1989. Dessverre klarte systemet ikke å oppfylle noen av disse målene. Årsakene til disse problemene ble intensivt studert i løpet av de følgende årene, noe som førte til en ny forståelse av ustabiliteten til høytytende plasmaer som ikke hadde blitt sett i mindre maskiner. Et stort utfall av TFTRs problemer var utviklingen av svært uensartede plasmatverrsnitt, særlig de D-formede plasmaene som nå dominerer feltet.
Senere eksperimenter
Selv om det ble klart at TFTR ikke ville nå break-even, begynte eksperimenter med tritium for alvor i desember 1993, den første enheten som først og fremst flyttet til dette drivstoffet. I 1994 produserte den en daværende verdensrekord på 10,7 megawatt fusjonskraft fra et 50-50 DT plasma (overskredet ved JET i Storbritannia, som genererte 16 MW fra 24 MW injisert termisk kraftinngang i 1997, som er gjeldende rekord). De to forsøkene hadde vektlagt alfapartiklene som produseres i deuterium-tritium-reaksjonene, som er viktige for selvoppvarming av plasmaet og en viktig del av enhver operasjonell design. I 1995 oppnådde TFTR en verdensrekordtemperatur på 510 millioner ° C - mer enn 25 ganger temperaturen i midten av solen. Dette ble senere slått året etter av JT-60 Tokamak som oppnådde en ionetemperatur på 522 millioner ° C (45 keV). Også i 1995 utforsket TFTR -forskere en ny grunnleggende modus for plasmainesperring - forbedret reversert skjær for å redusere plasmaturbulens.
TFTR forble i bruk til 1997. Den ble demontert i september 2002, etter 15 års drift.
Det ble fulgt av NSTX sfærisk tokamak.
Se også
Referanser