Эксперимент с тандемным зеркалом
Экспериментальный термоядерный реактор
ТМХ и ТМХ-U
Эксперимент с тандемным зеркалом
Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) в 1979 году
Тип устройстваМагнитное зеркало
РасположениеЛивермор , Калифорния , США
ПринадлежностьНациональная лаборатория Лоуренса в Ливерморе
История
Дата(ы) строительства1977 – 1979
Год(ы) эксплуатации1979–1987
Предшествовал2XIIB  [Викиданные]
Связанные устройстваИспытательная установка для слияния зеркал (MFTF)

Эксперимент с тандемным зеркалом ( TMX и TMX-U ) представлял собой магнитную зеркальную машину, работавшую с 1979 по 1987 год в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса . [1] Это была первая крупномасштабная машина для проверки концепции «тандемного зеркала», в которой два зеркала удерживали большой объем плазмы между собой в попытке повысить эффективность реактора.

Оригинальный TMX был спроектирован и построен за короткий период между его концепцией на крупном физическом совещании в Германии в октябре 1976 года, его дизайном в январе 1977 года и его завершением в октябре 1978 года. В течение следующего года он подтвердил подход тандемного зеркала. Планы начались для строительства гораздо более крупной машины, основанной на тех же принципах, Mirror Fusion Test Facility (MFTF). MFTF изначально был просто увеличенной версией TMX, но когда проект был изучен, стало ясно, что он не достигнет желаемой производительности. Требовалась некая система, которая бы повысила внутреннюю температуру топлива.

Решение было найдено в виде « тепловых барьеров », которые бы захватывали электроны высокой энергии и позволяли бы увеличивать энергию топлива без увеличения утечки. MFTF был модифицирован для добавления барьеров и стал MFTF-B. Пока строительство MFTF-B началось, тепловые барьеры были добавлены к TMX, чтобы стать TMX-U в 1982 году. Хотя TMX-U в целом подтвердил концепцию, тепловые барьеры были нестабильны. MFTF-B был почти завершен к этому времени, и финансирование было прекращено на следующий день после его завершения. TMX-U продолжал работать до февраля 1987 года.

История

Ранние зеркала и нестабильность

Машины с магнитным зеркалом были одними из первых серьезных проектов для термоядерных реакторов, наряду со стелларатором и z-pinch . Машина была очень простой, состоящей в основном из соленоида , в котором провода не были намотаны равномерно, а имели области на каждом конце с большим количеством витков. Когда ток проходил через обмотки, результирующее магнитное поле сжимало концы, заставляя электроны и ионы отражаться обратно в центр и, таким образом, оставаться ограниченными. Ричард Ф. Пост из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) стал основным сторонником этой концепции, и Ливермор стал всемирным центром исследований зеркал.

В своей знаменитой речи в 1954 году Эдвард Теллер выразил свою уверенность в том, что машины, подобные зеркалу, обладают внутренней нестабильностью, сегодня известной как неустойчивость взаимообмена , которая делает их неспособными удерживать плазму в течение времени, близкого к требуемому. [2] В то время, на заре программы, ни одна из существующих машин не могла удерживать плазму достаточно долго, чтобы увидеть, правда ли это. К 1960 году Ливермор построил несколько все более крупных зеркальных машин с более длительным временем удержания, и никаких намеков на проблему обнаружить не удалось. [3]

Загадка была решена на международной встрече в 1961 году, когда Лев Арцимович спросил, калибровали ливерморские команды конкретный измерительный прибор, чтобы учесть задержку в его показаниях. Они этого не сделали; было немедленно выяснено, что измеряемая стабильность была иллюзорной, кажущаяся миллисекундная стабильность на самом деле была миллисекундной задержкой в ​​показаниях, и плазма фактически немедленно становилась нестабильной. Арцимович пришел к выводу, что «теперь у нас нет ни одного экспериментального факта, указывающего на длительное и стабильное удержание». [4]

Бейсбольные мячи и инь-ян

Baseball II был сверхпроводящей версией конструкции катушки бейсбола, показанной здесь в 1969 году во время строительства. Эти конструкции продемонстрировали, что плазма в зеркале может быть стабильной.

В отличие от команд Ливермора, их советские коллеги в Институте Иоффе уже некоторое время наблюдали признаки нестабильности взаимообмена. Уже было проведено значительное количество исследований о том, как избежать этой проблемы, и на той же встрече 1961 года Михаил Иоффе представил данные по одной из таких конструкций, «минимум-B», которые показали четкие сигналы того, что она подавляет эту нестабильность. Эта конструкция добавляла дополнительные токопроводящие провода, которые изменяли магнитное поле, чтобы согнуть плазму в форму галстука-бабочки вместо простого цилиндра. Шесть проводников были известны как «стержни Иоффе». [4]

Новая версия той же базовой концепции появилась в Великобритании, «теннисный мяч», который был быстро подхвачен в Ливерморе, американизирован в «бейсбольные катушки» и построен в серии машин, известных как ALICE, Baseball I и II. Эти машины использовали один магнит, что значительно упрощало их сборку, а также имели преимущество в виде очень большого внутреннего объема, что позволяло легко вставлять диагностику. Недостатком этой конструкции было то, что магнит был очень большим по сравнению с объемом плазмы, которую он содержал. Кен Фаулер из Ливермора взял эту базовую конструкцию и модифицировал ее, чтобы создать вариацию «инь-ян», магниты которой были гораздо ближе к плазме. Это было построено в серии машин 2X. [5]

Поскольку новые бейсбольные машины продемонстрировали высокую стабильность, стало ясно, что с помощью этой конструкции можно построить работающий термоядерный реактор. [6] Из двух конструкций, бейсбольной и инь-янской, физики в целом предпочли первую, поскольку она имела более легкий доступ для диагностических систем, и что она также имела бы преимущество в реальном реакторе, поскольку обеспечивала бы более легкий доступ для обслуживания. [7]

Токамак давка

Эти результаты появились в начале 1970-х годов, что совпало с энергетическим кризисом 1970-х годов и, как следствие, массовым вливанием капитала федеральным правительством США в новые формы энергии. Управление по термоядерному синтезу, теперь под руководством Роберта Л. Хирша , начало переориентировать лаборатории с чистого исследования на попытку создания работающего проекта реактора. Токамак представлял собой очевидный путь к этой цели, и Хирш начал финансировать несколько крупных проектов по разработке токамаков в том, что стало известно как «токамак-панча». Он также хотел иметь по крайней мере одну резервную концепцию на случай, если что-то случится по мере того, как токамаки станут больше. Двумя наиболее успешными проектами в то время были тета -пинч и зеркала. [8]

Помощник Хирша, Стивен О. Дин , посетил LLNL и сказал им, что для того, чтобы остаться в гонке, им придется создать проект, который был бы конкурентоспособен с токамаками в краткосрочной перспективе. Он отметил, что в этом отношении, хотя бейсбол может быть лучшим проектом, в краткосрочной перспективе 2X имел более высокую производительность и больше шансов догнать токамаки. Сотрудники LLNL были оскорблены тем, что вашингтонские бюрократы пытались указывать им, как выполнять свою работу, но Дин указал, что Хирш уже закрыл две другие программы LLNL, Aston и Levitron . Если лаборатория не сможет продемонстрировать практически значимое улучшение производительности, они могут потерять и свою зеркальную программу. Он нашел союзника в лице директора лаборатории Джона Фостера-младшего , который в целом согласился с оценкой политической ситуации Дином. [8]

В ответ на это усилия по Baseball II были сокращены, и вместо оригинальной 2XII была спроектирована более крупная машина, известная как 2XIIB. Главным изменением было добавление большего количества инжекторов нейтрального пучка , с двух до двенадцати, что значительно улучшило бы плотность и температуру плазмы. 2XIIB была быстро построена и начала работу в 1975 году, быстро достигнув поставленных ею целей по температуре и плотности. [8]

Успех 2XIIB позволил Дину получить разрешение в апреле 1976 года на финансирование строительства того, что по сути было увеличенной версией 2XIIB, известной как MX, установив начальную дату эксплуатации в 1981 году. [9]

Q и тандемные зеркала

Дин также отметил, что в долгосрочной перспективе ни бейсбол, ни инь-ян, похоже, не имеют явного преимущества с точки зрения усиления или Q. Хотя MX может соответствовать плазменному показателю более новых токамаков, расчеты показали, что даже в самом лучшем случае он будет ограничен примерно Q = 1,2, тогда как коммерчески полезная система, вероятно, должна иметь 10 или более. У токамаков, похоже, такого ограничения нет. Чтобы оставаться актуальными после следующей серии проектов, LLNL должен был придумать способ значительно улучшить Q. Это вызвало значительную дискуссию на тему «улучшения Q». [9]

Решение в конечном итоге было предоставлено Т. Кеннетом Фаулером в LLNL позже в 1976 году; он и Дэвид Болдуин разработали концепцию, теперь известную как «тандемное зеркало», в которой зеркала, подобные 2XIIB, были размещены на обоих концах большого соленоида между ними. Два зеркала по-прежнему имели бы относительно низкую добротность сами по себе, но со временем горячая плазма, которую они естественным образом пропускали, нагревала бы топливо в соленоиде до точки, где оно также подвергалось бы синтезу. В этот момент количество высвобождаемой энергии ограничивалось только размером этого центрального бака, который требовал гораздо меньше энергии для питания, чем зеркала 2X на обоих концах. Таким образом, гораздо большее количество топлива подвергалось бы синтезу, требуя при этом лишь небольшого количества дополнительной мощности. [10]

Проблема заключалась в том, что зеркала по своей природе симметричны, если топливо может вытекать из одного конца в бак, оно может так же легко вытекать из другого и полностью выходить. Чтобы решить эту проблему, тандемное зеркало было нацелено на создание «амбиполярной» плазмы. В идеале это позволяло ему содержать электроны и ионы по-разному. Поскольку ионы намного массивнее электронов , они могут существовать с разными скоростями одновременно, тогда как электроны почти всегда имеют высокую скорость. Захватывая объем ионов в зеркалах, электроны будут притягиваться к двум сторонам реактора, образуя область отрицательного заряда. Ионы с более высокой энергией, выходящие из центра зеркал, будут преимущественно притягиваться к этим отрицательным областям, в центр реактора. [11]

ТМХ

С этим прогрессом, предполагающим, что зеркало было в гонке как за безубыточностью, так и в качестве практического реактора, LLNL предложил построить машину меньшего размера, чем MX, чтобы проверить макет. Официальное предложение было представлено недавно сформированному Министерству энергетики 12 января 1977 года [12] и одобрено в том же месяце. Baseball II был разобран, а TMX построен на его месте, начав работу в октябре 1978 года. [10]

Машина быстро продемонстрировала, что базовая концепция тандемного зеркала была разумной. На этом основании LLNL получила добро на начало строительства гораздо большего, теперь уже $200-миллионного, MFTF. MFTF был разработан для достижения Q = 1, также известного как «безубыточность», и демонстрации пути к конструкции, производящей энергию. [10]

Тепловые барьеры и TMX-U

Поскольку электроны движутся более свободно в плазме, они имеют тенденцию вытекать из зеркальной машины быстрее, чем ионы топлива. Со временем это приводит к тому, что масса топлива, оставшегося внутри зеркала, все больше состоит из ионов. Это, в свою очередь, создает чистый положительный заряд, обеспечивая дополнительные силы, которые помогают выталкивать топливо из зеркала, увеличивая скорость утечки. Именно эта утечка ограничивала добротность машины ; противодействие ей требовало чрезвычайно мощных магнитов, которые требовали большого количества энергии и, таким образом, снижали чистую выходную мощность. [10]

Было предпринято несколько попыток решить эту проблему путем впрыскивания нового топлива в концы зеркала с использованием небольших ускорителей частиц . В 1979 году Фаулер, Дэвид Болдуин и Грант Логан предложили новую схему для этих инжекторов, которая, как оказалось, могла создать «тепловой барьер», который должен был значительно уменьшить утечку. Идея заключалась в том, чтобы впрыскивать новые ионы топлива в концы ячеек зеркала, чтобы эффективная температура на концах была выше, чем в центре. Это создавало кинетический барьер для топлива в центральном баке и могло значительно снизить скорость утечки, тем самым еще больше улучшая Q. [ 10]

Прогресс был настолько велик, что, казалось, существующая концепция MFTF, по сути, увеличенная TMX, не будет служить никакой цели. Чтобы проверить барьер концепции, в 1979 году Фаулер предложил отключить TXM после того, как его текущие экспериментальные запуски закончатся в 1981 году. Затем он будет перестроен с конечными ячейками в новой конфигурации, как TMX-U. Ожидалось, что TMX-U не будет доступен до 1983 года, что привело бы к длительной задержке в проекте MFTF, если бы та же идея была использована и в этой конструкции. В конце 1979 года Фаулер предложил продолжить строительство MTFT-B с допусками, чтобы инжекторы могли быть модифицированы, если это необходимо, на основе результатов TMX-U. Новый директор исследований термоядерного синтеза Эд Кинтер одобрил план, и MFTF стал MFTF-B, что означает «барьер». [10]

В конечном итоге этот план оказался неразумным. Когда TMX-U начал работу, стало ясно, что улучшения от новых инжекторов далеки от того, чего от них ждали. Когда эти результаты были масштабированы до конструкции MFTF-B, стало ясно, что она не сможет достичь безубыточности. Строительство MFTF-B, уже начавшееся полным ходом, было разрешено продолжить, но проект был лишен финансирования и закрыт 22 февраля 1986 года, на следующий день после того, как его строительство было объявлено завершенным. TMX-U сделал свои последние выстрелы в том же месяце. Позже Дин прокомментировал, что в их попытках догнать токамаки программа зеркал была слишком сильно продвинута. [13]

LLNL, получившая $720 млн с 1974 года на свою программу зеркал, закрыла свою программу зеркал и переключила внимание на подход инерционного удержания термоядерного синтеза . Программы зеркал в MIT (Тара) и Университете Висконсина (Федр) были лишены финансирования в следующем году. [13]

Дизайн

Рабочий проверяет выравнивание части катушек, имеющих форму бейсбольного мяча.

TMX был официально предложен Фредом Коэнсгеном и командой Ливермора 12 января 1977 года Управлению по энергетическим исследованиям и разработкам США . [14] Проект оценивался в 11 миллионов долларов. Конструкция состояла из пяти колец тока вокруг плазмы. На концах использовались магниты в форме «бейсбольного мяча», чтобы не дать плазме вырваться. Эта конструкция создавала магнитные силы, которые увеличивались во всех направлениях от центра области зеркала. Термоядерная плазма в форме скрученного галстука-бабочки удерживалась внутри магнитного зеркала. [15] Разработка соответствующих заглушек была сложной задачей для всех машин с магнитными зеркалами. Позднее конструкция бейсбольного мяча была заменена экзотическими магнитами инь-ян MFTF . [ 16] Проблемы с вытекающей плазмой привели исследователей к токамаку , где заглушки были устранены путем закольцовывания поля.

ТМХ-У

Краткое изложение результатов первоначальных запусков с TMX было опубликовано в феврале 1981 года . [17] В это время установка прошла капитальный ремонт. Был добавлен тепловой барьер для лучшего удержания плазмы, количество колец было увеличено до более чем десяти [18], вакуумная и диагностическая система были капитально отремонтированы, и были добавлены дополнительные магниты для компенсации потерь. [19] Новая машина получила название «TMX-U» [20] и работала до конца восьмидесятых.

Критика

Лоуренс Лидски подверг резкой критике машины с магнитными зеркалами, заявив: «Они продолжали добавлять по одному набору магнитов в год, пока он не разрушился под собственным весом» [1] и в своей статье « Проблемы с термоядерным синтезом ».

Дальнейшее чтение

  • «Эксперимент с тандемным зеркалом и тепловыми барьерами» GA Carlson, UCRL-52836, 19 сентября 1979 г.
  • «Термоядерные системы удержания с двойными зеркальными системами» Г.И. Димова, Советский журнал физики плазмы, том 2, номер 4
  • «Потери ионов из концевой зеркальной ловушки» Д.П. Чернин, М.Н. Розенблют, Институт перспективных исследований, ядерный синтез, 1978 г.
  • «Усовершенствованный термоядерный реактор с тандемным зеркалом», Д. Э. Болдуин, Physical Review Letters, 29 октября 1979 г.

Ссылки

Цитаты

  1. ^ ab Бут, Уильям (1987). «Нафталиновый шар термоядерного синтеза стоимостью 372 миллиона долларов». Science . 238 (4824): 152– 155. Bibcode :1987Sci...238..152B. doi :10.1126/science.238.4824.152. PMID  17800453.
  2. ^ Герман 2006, стр. 30.
  3. ^ Бромберг 1982, стр. 58.
  4. ^ ab Bromberg 1982, стр. 111.
  5. ^ Кралл, Николас А.; Трайвелпис, Элвин В.; Гросс, Роберт А. (1973). «Принципы физики плазмы». American Journal of Physics . 41 (12): 1380– 1381. Bibcode : 1973AmJPh..41.1380K. doi : 10.1119/1.1987587. ISSN  0002-9505.
  6. ^ Келли, ГГ (1967). «Устранение потерь, вызванных амбиполярным потенциалом, в магнитной ловушке». Plasma Physics . 9 (4): 503–505 . doi :10.1088/0032-1028/9/4/412. ISSN  0032-1028.
  7. ^ Дин 2013, стр. 48.
  8. ^ abc Dean 2013, стр. 49.
  9. ^ ab Dean 2013, стр. 53.
  10. ^ abcdef Дин 2013, стр. 54.
  11. ^ «Комментарии по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу» Бертон Д. Фрид, комментарии по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 1977, том 2, номер 6
  12. ↑ Coensgen, Fred (12 января 1977 г.). Предложение по основному проекту TMX (технический отчет). LLL-Prop-148.
  13. ^ ab Booth 1987, стр. 152.
  14. ^ "TMX ГЛАВНОЕ ПРОЕКТНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ" Фред Коэнсген, 12 января 1977 г., LLL-Prop-148
  15. ^ «Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX)». Январь 1978 г.
  16. ^ Kozman, T.; Wang, S.; Chang, Y.; Dalder, E.; Hanson, C.; Hinkle, R.; Myall, J.; Montoya, C.; Owen, E.; Palasek, R.; Shimer, D. (1983). «Магниты для испытательной установки по слиянию зеркал: тестирование первого инь-ян и проектирование и разработка других магнитов». IEEE Transactions on Magnetics . 19 (3): 859– 866. Bibcode : 1983ITM....19..859K. doi : 10.1109/tmag.1983.1062533. ISSN  0018-9464. S2CID  121612886.
  17. ^ Simonen, TC, ред. (1981-02-26). Резюме результатов эксперимента с тандемным зеркалом (TMX) (отчет). doi : 10.2172/5759138 .
  18. ^ Аллен, SL; Коррелл, DL; Хилл, DN; Кайзер, TB; Хейфец, DB (1987). «Определение амбиполярного радиального транспорта из баланса частиц в тандемном зеркале TMX-U». Nuclear Fusion . 27 (12): 2139– 2152. doi :10.1088/0029-5515/27/12/013. ISSN  0029-5515. S2CID  121498006.
  19. ^ Pickles, WL (1983). "Эксперимент LLNL с тандемным зеркалом (TMX) модернизировал вакуумную систему". Вакуум . 33 (6): 345. doi :10.1016/0042-207x(83)90122-7. ISSN  0042-207X.
  20. ^ Хант, АЛ; Коффилд, ФЭ; Пиклз, ВЛ (1983). «Быстрые измерения давления для эксперимента по слиянию TMX-U». Журнал «Вакуумная наука и технология» A: Вакуум, поверхности и пленки . 1 (2): 1293– 1296. Bibcode : 1983JVSTA...1.1293H. doi : 10.1116/1.572092. ISSN  0734-2101. S2CID  122863605.

Библиография

  • Бут, Уильям (9 октября 1987 г.). «Нафталиновый шарик термоядерного синтеза стоимостью 372 миллиона долларов». Science . 238 (4824): 152– 155. Bibcode :1987Sci...238..152B. doi :10.1126/science.238.4824.152. PMID  17800453.
  • Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . MIT Press . ISBN 9780262021807.
  • Дин, Стивен (2013). Поиск конечного источника энергии. Springer. ISBN 9781461460374.
  • Герман, Робин (2006). Fusion: The Search for Endless Energy. Cambridge University Press. ISBN 9780521024952.
  • Теллер, Эдвард (1981). Fusion Часть A: Магнитное удержание, Часть 1. Academic Press. ISBN 9780323147804.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Tandem_Mirror_Experiment&oldid=1240302943"