Ұлттық Stellarator Эксперименті: Құрылысы тоқтап қалған термоядролық реактор жобасы
National Compact Stellarator Experiment
Жұлдызша тәрізді реактор NCSX тәжірибесі, тұрақты плазма жасауға бағытталған, бірақ жоба күрделілігі мен шығындар салдарынан тоқтатылды. Wendelstein 7 X зерттеулері жалғасуда.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ұлттық компактты жұлдызшы эксперименті (National Compact Stellarator Experiment, қысқаша NCSX) – Принстон плазма физикасы зертханасында (PPPL) салынып жатқан жұлдызшы конструкциясына негізделген магниттік синтез энергиясы эксперименті. NCSX – 1950 және 1960 жылдардағы қарапайым құрылымдарға қарағанда жақсы нәтижелер беретін жаңа геометрияларды көрсеткен зерттеулерден кейін пайда болған 1990-шы жылдардағы көптеген жаңа жұлдызшы конструкцияларының бірі. Токамакпен салыстырғанда, оларды жобалау және жасау әлдеқайда қиын болды, бірақ плазманы әлдеқайда тұрақты етуге мүмкіндік берді, ал тұрақты плазма – сәтті синтездің басты мәселесі. Жобаны жүзеге асыру тым қиын болып шықты, ол бірнеше рет бюджеттен және уақыттан шығып кетті. Жоба 2008 жылдың 22 мамырында 70 миллион доллардан астам қаржы жұмсалғаннан кейін тоқтатылды. Wendelstein 7 X NCSX-тің көптеген идеяларын зерттейді.
The National Compact Stellarator Experiment, NCSX in short, was a magnetic fusion energy experiment based on the stellarator design being constructed at the Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). NCSX was one of a number of new stellarator designs from the 1990s that arose after studies illustrated new geometries that offered better performance than the simpler machines of the 1950s and 1960s. Compared to the more common tokamak, these were much more difficult to design and build, but produced far more stable plasma, the main problem with successful fusion. The design proved to be too difficult to build, repeatedly running over its budget and timelines. The project was eventually cancelled on 22 May 2008, having spent over $70 M.
Wendelstein 7 X explores many of the same concepts that NCSX intended to.
Ертедегі жұлдыздар
Stellarators – бұл синтездік энергия тұжырымдамаларының бірі, алғаш рет 1952 жылы Принстон астрофизигі Лайман Спитцер Аспендегі креслолифтіде отырып жобалаған. Спитцер жұлдыздардағы плазманың қозғалысын зерттей келе, магниттердің қарапайым орналасуы плазманы машинаның ішінде ұстап тұра алмайтынын, плазманың өрістер арқылы иіліп, ақырында қабырғаға соғылатынын түсінді. Оның шешімі қарапайым болды: машинаны 180 градусқа бұрып, донаттың орнына сегіздік пішін жасау арқылы плазма ыдыстың ішкі және сыртқы бөліктерінде кезекпен орналасып, қарама-қарсы бағытта иіледі. Таза дрейфтің тоқтатылуы толық болмаса да, теориялық есептеулерге сүйенсек, дрейф жылдамдығының айырмашылығы плазманың синтез жағдайларына жетуіне жеткілікті болатын. Бірақ тәжірибеде бұл орындалмады. Сол дәуірдегі барлық синтездік реакторлардың жобаларындағы мәселе – плазма иондарының классикалық теорияда болжалғаннан жүздеген, тіпті мыңдаған есе жылдам қозғалуы болды. Секундтарға тұрақтылықты қамтамасыз ететін жобалар, ең жақсы жағдайда микросекундтарға ғана тұрақты машиналарға айналды. 1960 жылдардың ортасына қарай синтездік энергия саласы тоқтап қалғандай болды. Тек 1968 жылы токмақ дизайнының ұсынылуымен жағдай өзгерді; кеңестік машиналар батыс үлгілерінен кем дегенде бір рет жоғары өнімділік көрсетті, бірақ бұл көрсеткіштер әлі де қанағаттанарлық деңгейге жетпеді. Бұл жетістік соншалықты маңызды болды, әлемнің түкпір-түкпіріндегі ғалымдар токамақ тәсілін зерттеуге кірісті, ал басқа жобалар бойынша жұмыстар тоқтатылды. Бұл соңғы stellarator жобаларын да қамтыды; C үлгісі жақында ғана жұмыс істеуге басталған еді, бірақ ол тез арада Симметриялық Токамаққа айналдырылды. 1980 жылдардың соңына қарай токамақтың үлкен қадам екені анық болды, бірақ ол жаңа проблемаларды да әкелді. Атап айтқанда, токамақты тұрақтандыру және қыздыру үшін қолданылатын плазма тогы, өскен сайын өзі де тұрақсыздықтардың көзіне айналды. Токамақтарды дамытудың соңғы 30 жылының көп бөлігі осы токты пайдалы синтезді қолдау үшін қажетті деңгейге дейін арттырудың және осы ток плазманың ыдырауына себеп болмауының жолдарын табуға бағытталды.
Stellarators are one of the first fusion power concepts, originally designed by Princeton astrophysicist Lyman Spitzer in 1952 while riding the chairlifts at Aspen. Spitzer, considering the motion of plasmas in the stars, realized that any simple arrangements of magnets would not confine a plasma inside a machine the plasma would drift across the fields and eventually strike the vessel. His solution was simple; by bending the machine through a 180 degree twist, forming a figure eight instead of a donut, the plasma would alternately find itself on the inside or outside of the vessel, drifting in opposite directions. The cancellation of net drift would not be perfect, but on paper, it appeared that the delay in drift rates was more than enough to allow the plasma to reach fusion conditions. In practice, this proved not to be. A problem seen in all fusion reactor designs of the era was that the plasma ions were drifting much faster than classical theory predicted, hundreds to thousands of times faster. Designs that suggested stability on the order of seconds turned into machines that were stable for microseconds at best. By the mid 1960s the entire fusion energy field appeared stalled. It was only the 1968 introduction of the tokamak design that rescued the field; Soviet machines were performing at least an order of magnitude better than western designs, although still far short of practical values. The improvement was so dramatic that work on other designs largely ended as teams around the world began to study the tokamak approach. This included the latest stellarator designs; the Model C had only recently started operations, and was rapidly converted into the Symmetric Tokamak. By the late 1980s it was clear that while the tokamak was a great step forward, it also introduced new problems. In particular, the plasma current the tokamak used for stabilization and heating was itself a source of instabilities as the current grew. Much of the subsequent 30 years of tokamak development has focused on ways to increase this current to the levels required to sustain useful fusion while ensuring that same current does not cause the plasma to break up.
Жігітті жұлдыздар
Токамақтың проблемасының масштабы айқын болғанда, әлемдегі термоядролық командалар басқа жобалау концепцияларын жаңаша қарастыруға кірісті. Осы процесте қарастырылған көптеген идеялардың ішінде, жұлдызша (stellarator) ерекшеленді, оның өнімділігін едәуір арттыратын потенциалды өзгерістерге ие болғандай көрінді. Жұлдызшаның негізгі идеясы иондық дрейфті жою үшін магниттердің орналасуын пайдалану болды, бірақ 1950 жылдарғы қарапайым конструкциялар оны қажетті деңгейде істемеді. Одан да маңызды мәселе – диффузия жылдамдығын күрт арттыратын тұрақсыздықтар мен соқтығысу эффектілері болды. 1980 жылдары токамақтың өнімділігін арттырудың бір жолы плазманы ұстау аймағында дөңгелек емес қималарды қолдану екендігі анықталды; осы біркелкі емес аймақтарда қозғалатын иондар араласып, ірі масштабты тұрақсыздықтардың қалыптасуын бұзатын еді. Сол логиканы жұлдызшаға қолдану да ұқсас артықшылықтарды ұсынатын сияқты. Дегенмен, жұлдызшада плазма тогы болмағандықтан немесе азайтылғандықтан, плазма бастапқыда тұрақтырақ болатын. Егер екі мақсатқа жету үшін қажетті магниттердің орналасуын – құрылғының периметрі бойынша бұрылған жолды, сондай-ақ осы жол бойындағы көптеген кішігірім бұрылыстар мен араласуларды ескерсек, конструкция өте күрделі болады, бұл дәстүрлі жобалау құралдарының қабілетінен асып түседі. Дәл осы кезде, үлкен параллельді компьютерлерді пайдалану ғана конструкцияны терең зерттеуге және тиімді магниттік конструкцияларды жасауға мүмкіндік берді. Нәтижесінде, өте ықшам құрылғы пайда болды, ол берілген плазма көлемі үшін классикалық конструкциядан әлдеқайда кішкентай, төмен аспект қатынасына ие болды. Төмен аспект қатынастары өте қажетті, себебі олар кез келген қуатты машинаны кішірейтуге мүмкіндік береді, бұл құрылыс шығындарын төмендетеді. 1990 жылдардың соңына қарай жаңа жұлдызша конструкцияларын зерттеу осы концепцияларды пайдалана отырып, машина құрастыруға жеткілікті деңгейге жетті. 1960 жылдарғы жұлдызшалармен салыстырғанда, жаңа машиналар әлдеқайда жоғары магниттік өріс күштері үшін суперотказғыш магниттерді пайдалана алады, C үлгісінен сәл ғана үлкен болса да, плазма көлемі әлдеқайда зор, ал плазма аймағы шеңберден жазыққа және кері қайта бұрылатын.
As the magnitude of the problem with the tokamak became evident, fusion teams around the world began to take a fresh look at other design concepts. Among a number of ideas noted during this process, the stellarator in particular appeared to have a number of potential changes that would greatly improve its performance. The basic idea of the stellarator was to use the layout of the magnets to cancel out ion drift, but the simple designs of the 1950s did not do this to the degree needed. A greater problem were the instabilities and collisional effects that greatly increased the diffusion rates. In the 1980s it was noted that one way to improve tokamak performance was to use non circular cross sections for the plasma confinement area; ions moving in these non uniform areas would mix and break up the formation of large scale instabilities. Applying the same logic to the stellarator appeared to offer the same advantages. Yet, as the stellarator lacked, or lowered, the plasma current, the plasma would be more stable from the start. When one considers the magnet layout needed to achieve both goals, a twisted path around the circumference of the device as well as many smaller twists and mixes along the way, the design becomes extremely complex, well beyond the abilities of conventional design tools. It was only through the use of massively parallel computers that the designs could be studied in depth, and suitable magnet designs created. The result was a very compact device, significantly smaller outside than a classical design for any given volume of plasma, with a low aspect ratio. Lower aspect ratios are highly desirable, because they allow a machine of any given power to be smaller, which lowers construction costs. By the late 1990s the studies into new stellarator designs had reached a suitable point for the construction of a machine using these concepts. In comparison to the stellarators of the 1960s, the new machines could use superconducting magnets for much higher field strengths, be only slightly larger than the Model C yet have far larger plasma volume, and have a plasma area inside that varied from circular to planar and back while twisting several times.