Кіріспе
Ұлттық сфералық тор эксперименті (NSTX) – сфералық токамак концепциясына негізделген магниттік синтез құрылғысы. Ол Принстон плазма физикасы зертханасы (PPPL) Оук Ридж ұлттық зертханасы, Колумбия университеті және Сиэтлдегі Вашингтон университетімен бірлесіп салынды. 1999 жылы қолданысқа енгізілді. 2012 жылы жаңарту бағдарламасының аясында тоқтатылып, жаңартқыш (Upgrade) ретінде NSTX U аталды. Басқа магниттік тұтқындау синтезі эксперименттері сияқты, NSTX термоядролық плазманың физикалық қағидаларын зерттейді – ядролық синтез жүзеге асуы үшін жеткілікті жоғары температурасы және тығыздығы бар иондалған газдар, магнит өрісінде ұсталады. NSTX жүзеге асырған сфералық токамак дизайны – дәстүрлі токамақтың бір саласы. Оны қолдайтындар сфералық токамактардың дәстүрлі токамактарға қарағанда айқын тәжірибелік артықшылықтары бар екенін мәлімдейді. Осы себепті сфералық токамақ 1980 жылдардың соңында ұсынылғаннан бері үлкен қызығушылық тудырып келеді. Дегенмен, даму JET сияқты негізгі токамак жұмыстарынан бір буын қалып қойды. Басқа ірі сфералық токамак эксперименттеріне Ұлыбританиядағы Кулхэмдегі START және MAST жатады.
1999-2012 жылдар
Бірінші плазма NSTX-те 1999 жылдың 12 ақпанында сағат 19:06-да алынды. Магниттік синтез эксперименттері бір немесе бірнеше сутегі изотоптарынан тұратын плазма қолданады. Мысалы, 1994 жылы PPPL-дің Токамак синтездік сынақ реакторы (TFTR) коммерциялық синтездік реакторларда қолданылуы мүмкін отын қоспасы – дейтерий мен тритийдің тең бөліктерінен тұратын плазмадан 10,7 мегаватттық синтездік қуат өндірді. NSTX – «негізгі принципті дәлелдеу» эксперименті болды және тек дейтерий плазмасын қолданды. Егер сәтті аяқталса, оған ұқсас құрылғылар жасалатын болып, соңында дейтерий-тритий отынын жағатын демонстрациялық қуат реакторы (мысалы, ITER) да кіретін еді. NSTX ортасынан тесігі бар шар тәрізді плазманы («жүйекті алма» профилі; MAST-қа қараңыз) жасады, бұл кәдімгі токамактардың донат тәрізді (тороидты) плазмаларынан ерекшеленеді. Төменгі қатынас көрсеткіші А (яғни R/a = 1,31, мұнда үлкен радиус R 0,85 м және кіші радиус a 0,65 м) болатын эксперименталды NSTX құрылғысының бірнеше артықшылықтары болды, соның ішінде жақсартылған тұтқындау арқылы плазманың тұрақтылығы. Жобалаудағы қиындықтарға тороидтық және полоидтық өріс орамдары, вакуумдік ыдыстар және плазмамен жанасатын компоненттер кіреді. Бұл плазма конфигурациясы, берілген тұтқындау магнит өрісінің күші үшін, жоғары аспектілі донат тәрізді токамаққа қарағанда жоғары қысымды плазманы ұстай алады. Плазмадан өндірілетін синтез қуатының мөлшері плазма қысымының квадратына пропорционалды болғандықтан, шар тәрізді плазманы пайдалану кішкентай, экономикалық және тұрақты синтез реакторларын жасауға мүмкіндік береді. NSTX-тің тартымдылығы жоғары «bootstrap» электр тогын ұстап тұру қабілетімен одан әрі артады. Бұл өздігінен туындайтын ішкі плазма тогы плазманы қыздыру және ұстау үшін қажетті сыртқы плазма тогының қуат талаптарын азайтады.
Magnetic fusion experiments use plasmas composed of one or more hydrogen isotopes. For example, in 1994, PPPL's Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) produced a world record 10.7 megawatts of fusion power from a plasma composed of equal parts of deuterium and tritium, a fuel mix likely to be used in commercial fusion power reactors. NSTX was a "proof of principle" experiment and therefore employed deuterium plasmas only. If successful it was to be followed by similar devices, eventually including a demonstration power reactor (e. g. ITER), burning deuterium tritium fuel. NSTX produced a spherical plasma with a hole through its center (a "cored apple" profile; see MAST), different from the doughnut shaped (toroidal) plasmas of conventional tokamaks. The low aspect ratio A (that is, an R/a of 1.31, with the major radius R of 0.85 m and the minor radius a of 0.65 m) experimental NSTX device had several advantages including plasma stability through improved confinement. Design challenges include the toroidal and poloidal field coils, vacuum vessels and plasma facing components. This plasma configuration can confine a higher pressure plasma than a doughnut tokamak of high aspect ratio for a given, confinement magnetic field strength. Since the amount of fusion power produced is proportional to the square of the plasma pressure, the use of spherically shaped plasmas could allow the development of smaller, more economical and more stable fusion reactors. NSTX's attractiveness may be further enhanced by its ability to trap a high "bootstrap" electric current. This self driven internal plasma current would reduce the power requirements of externally driven plasma currents required to heat and confine the plasma.
2012-2015 жыл аралығындағы жаңарту
94 миллион долларға тұратын NSTX U (Жаңарту) 2015 жылы аяқталды. Ол тороидтық өрісті (1 Теслаға дейін), плазма тогын (2 МА-ға дейін) және қыздыру қуатын екі есеге арттырады. Импульстің ұзақтығын бес есеге ұзартуға мүмкіндік береді. Бұл үшін орталық жиынтық (CS) соленоиді кеңейтілді, сондай-ақ OH катушкасы, ішкі полоидальды катушкалар және 2-ші бейтарап иондық сәуле желісі қосылды. 2018 жылдың наурыз айында қайта іске қосу жоспары қабылданды, қайта іске қосу 2020 жылдың соңына жоспарланған, бірақ кейін 2022 жылға шегерілді. 2022 жылдың өзінде орталық соленоид пен оны қоршаған катушкалар арасындағы оқшаулау мәселесіне байланысты қайта іске қосу кешігіп жатыр.