Кіріспе
Нью-Джерси штатының Принстон қаласында орналасқан плазма физикасы және ядролық синтез ғылымдарының ұлттық зертханасы – Принстон плазма физикасы зертханасы (PPPL). Бұл АҚШ Энергетика министрлігінің плазма физикасы және ядролық синтез ғылымдарының ұлттық зертханасы болып табылады. Оның басты миссиясы – энергия көзі ретінде термоядролық синтезді зерттеу және дамыту. PPPL stellarator және tokamak конструкцияларын жасауымен, плазма физикасының көптеген маңызды жаңалықтарымен және плазманы ұстаудың әртүрлі әдістерін зерттеуімен танымал. PPPL – бұл «Matterhorn» жобасы деп аталған, термоядролық реакцияларды бақылауға бағытталған, Қышқы соғыс кезеңіндегі құпия жобаның нәтижесі. 1951 жылы Лайман Спитцер stellarator тұжырымын ұсынғаннан және Атом энергиясы комиссиясынан оны зерттеуге қаржы алғаннан бастап, бұл бағдарламаның бағыты сутек бомбаларынан термоядролық энергияны өндіруге ауысты. Осының нәтижесінде 1950-1960 жылдары бірнеше құрылғылар жасалды. 1961 жылы құпиясы ашылғаннан кейін «Matterhorn» жобасы Принстон плазма физикасы зертханасы деп қайта аталды. PPPL-дің stellarator-лары өзінің күтілген нәтижелерін көрсетпеді. 1968 жылы Кеңес Одағының токамактарының жоғары тиімділігі туралы хабарламалары күмән тудырды. Оны тексеру үшін PPPL-дің C үлгісі stellarator токамаққа айналдырылды. Бұл кеңестік мәлімдемелерді растады, содан бері PPPL токамақ теориясы және конструкциясы саласындағы әлемдік лидер атанды, соның ішінде Принстон үлкен торусы (Princeton Large Torus), TFTR және тағы да көптеген рекордтық құрылғылар жасалды. АТК, NSTX және LTX сияқты нақты мәселелерді және шешімдерді сынау үшін ондаған кішкентай құрылғылар да салынды. PPPL Нью-Джерси штатының Плейнсборо қалашығындағы Принстон университетінің Форрестал кампусында орналасқан.
Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) is a United States Department of Energy national laboratory for plasma physics and nuclear fusion science. Its primary mission is research into and development of fusion as an energy source. It is known for the development of the stellarator and tokamak designs, along with numerous fundamental advances in plasma physics and the exploration of many other plasma confinement concepts. PPPL grew out of the top secret Cold War project to control thermonuclear reactions, called Project Matterhorn. The focus of this program changed from H bombs to fusion power in 1951, when Lyman Spitzer developed the stellarator concept and was granted funding from the Atomic Energy Commission to study the concept. This led to a series of machines in the 1950s and 1960s. In 1961, after declassification, Project Matterhorn was renamed the Princeton Plasma Physics Laboratory. PPPL's stellarators proved unable to meet their performance goals. In 1968, Soviet's claims of excellent performance on their tokamaks generated intense scepticism, and to test it, PPPL's Model C stellarator was converted to a tokamak. It verified the Soviet claims, and since that time, PPPL has been a worldwide leader in tokamak theory and design, building a series of record breaking machines including the Princeton Large Torus, TFTR and many others. Dozens of smaller machines were also built to test particular problems and solutions, including the ATC, NSTX, and LTX. PPPL is located on Princeton University's Forrestal Campus in Plainsboro Township, New Jersey.
Құрылу
1950 жылы Джон Уилер Принстон университетінде құпия водород бомбасын зерттеу зертханасын құрып жатты. Тау шаруасына әуес Лайман Шпицер кіші бұл бағдарлама туралы біліп, «Матерхорн жобасы» деген атауды ұсынды. Астрономия профессоры Шпицер көп жылдар бойы жұлдызаралық кеңістіктегі өте ыстық, сиретілген газдарды зерттеумен айналысқан. 1951 жылдың ақпан айында Аспенге шаңғы жорығына шыққанда, әкесі қоңырау шалып, «Нью-Йорк Таймс» газетінің бірінші бетін оқуға кеңес берді. Газетте күні бұрын Аргентинада жарияланған хабарламалар туралы жазылған еді, онда Рональд Рихтер есімді көңіл көтерілмейтін неміс ғалымы өзінің Huemul жобасында ядролық синтезді жүзеге асырғанын мәлімдеген. Шпицер бұл талаптарды жоққа шығарды, және кейіннен олардың бұрыс екені дәлелденді, бірақ бұл жаңалық оны синтез туралы ойлануға итермеледі. Аспендегі креслолифтімен жол жүріп, ол плазманы ұзақ уақыт бойы сақтап, оны синтез температурасына дейін қыздырудың жаңа әдісін тапты. Ол бұл әдісті «жұлдызшар» деп атады. Кейін сол жылы ол бұл жобаны Вашингтондағы Атом энергиясы комиссиясына ұсынды. Осы кездесудің және елдің ғалымдарының жобаны қарауының нәтижесінде 1951 жылы жұлдызшар жобасына қаржы бөлінді. Құрылғы жоғары энергиялы нейтрондарды өндіретін болғандықтан, оларды қару-жарақ отынын өндіруге пайдалануға болады, бағдарлама құпия деп жарияланды және «Матерхорн жобасы» аясында жүзеге асырылды. 1954 жылы «Матерхорн» бомба саласындағы жұмысын тоқтатты және толығымен синтездік энергия саласына көшті. 1958 жылы бұл магниттік синтез зерттеулері Атом энергиясын бейбіт мақсатта пайдалану жөніндегі Біріккен Ұлттар Ұйымының халықаралық конференциясынан кейін құпиясы ашылды. Бұл «жаңа» физиканы оқығысы келетін көптеген аспиранттардың келуіне әкеп соқты, бұл өз кезегінде зертхананы негізгі зерттеулерге көбірек назар аударуға ықпал етті. Алғашқы «сегіздік» жұлдызшарлар: А үлгісі, В үлгісі, В2 үлгісі, В3 үлгісі. Осы уақыттағы соңғы және ең қуатты жұлдызшар «жарыс жолы» үлгісі C болды (1961 жылдан 1969 жылға дейін жұмыс істеді).
Тоқамақ
1960 жылдардың ортасында stellaratorларда фундаменталды түрде бір нәрсе дұрыс емес екені анық болды, олар отынды теория болжағаннан әлдеқайда жоғары жылдамдықпен шығарып тастады, бұл жылдамдықтар плазмадан синтез реакциялары ешқашан өндіре алмайтын энергияны алып кетті. Шпиццер синтез энергиясының мүмкін екендігіне күдікпен қарады және 1965 жылы Ұлыбританияда өткен халықаралық жиында бұл пікірін ашық білдірді. Сол жиында кеңес делегациясы бұрынғы құрылғылардан 10 есе жақсы нәтижелерді жариялады, Шпиццер бұл өлшеу қатесі деп есептеді. 1968 жылы өткен келесі жиында кеңес тарапы өз құрылғыларынан алынған деректерді ұсынды, олар тіпті одан да жоғары өнімділікті көрсетті, Бом диффузиясының шегінен 100 есе асып түсті. AEC және түрлі зертханалар арасында бұл шындыққа сай ма, жоқ па деген үлкен дау туды. 1969 жылы Ұлыбританиялық команда нәтижелерді растағаннан кейін, AEC PPPL-ге өздерінің C моделін токамакқа айналдырып сынауды ұсынды, себебі Oak Ridge зертханасы оны бастап құру үшін біраз уақыт қажет ететін болды. Фьюзия саласында айналып өту мүмкіндігін сезінген PPPL C моделін Симметриялық Токамакқа (ST) айналдыруға келісіп, жаңа тәсілді тез растады. ST-ге екі кішкентай машина ілесіп, плазманы қыздыру жолдарын зерттеді, содан кейін Принстонның Ірі Торы (PLT) үлкен машиналардың тұрақтырақ болатыны туралы теорияны тексеру үшін құрылды. 1975 жылдан бастап PLT осы "өлшеу заңдарын" тексерді, содан кейін Oak Ridge-тен бейтарап сәуле енгізуді қосты, нәтижесінде плазма температурасының рекордтық сериясы пайда болды, ақырында 78 миллион Кельвинге жетті, бұл практикалық термоядролық энергия жүйесі үшін қажетті көрсеткіштен әлдеқайда жоғары еді. Бұл үлкен жаңалық болды. Осы жетістіктер тізбегімен PPPL сынақ газынан гөрі нақты синтез отынымен жұмыс істеп тұрған кезде "тепе-теңдікке" жетуге арналған одан да үлкен машинаны салу туралы тендерді жеңуге қиындық тудырмады. Сөйтіп 1982 жылы аяқталған Токамак Фьюзиялық Сынақ Реакторы (TFTR) құрылды. Ұзақ сынақ кезеңінен кейін TFTR отынның температурасы мен тығыздығын баяу арттыра бастады, сонымен бірге отын ретінде дейтерий газын қолданды. 1986 жылдың сәуірінде ол практикалық реактор үшін қажетті көрсеткіштен әлдеқайда жоғары тығыздық пен тұйықталудың комбинациясын, яғни фьюзиялық үштік өнімді көрсетті. Шілдеде температурасы 200 миллион Кельвинге жетті, бұл қажетті көрсеткіштен де асып түсті. Алайда, жүйе осы екі жағдаймен бір мезгілде жұмыс істегенде, үштік өнім мен температура жеткілікті жоғары болғанда, жүйе тұрақсыз болды. Үш жыл бойы бұл мәселелерді шешуге тырысқан TFTR өз мақсатына жетпеді. Жүйе 1997 жылы жабылғанға дейін осы проблемалар бойынша негізгі зерттеулерді жалғастырды. 1993 жылдан бастап TFTR әлемде бірінші болып 1:1 пропорцияда дейтерий-тритий қоспасын қолданды. 1994 жылы ол бұрын-соңды болмаған 10,7 мегаватттық синтез қуатын өндірді. 2015 жылы PPPL NSTX-ті NSTX U-ға жаңартып, оны әлемдегі ең қуатты тәжірибелік синтез қондырғысы немесе токамагына айналдырды. 2017 жылы топ RF кіші жүйесі мен суперөткізгіш катушкалар кіші жүйесін қаржыландыруға арналған NIAC грантының II кезеңін және екі NASA STTR бағдарламасын алды.
Басқа да отандық және халықаралық ғылыми-зерттеу қызметі
Зертхана ғалымдары басқа мекемелердегі, соның ішінде Сан-Диегодағы DIII D, Қытайдағы EAST, Ұлыбританиядағы JET, Оңтүстік Кореядағы KSTAR, Жапониядағы LHD, Германиядағы Wendelstein 7 X (W7 X) құрылғысы және Франциядағы Халықаралық термоядролық тәжірибелік реактор (ITER) зерттеушілерімен термоядролық ғылым мен технология саласында ынтымақтасады. PPPL, Oak Ridge Ұлттық зертханасы және Savannah River Ұлттық зертханасы бірлесіп АҚШ-тың ITER жобасын басқарады. 2017 жылы лаборатория термоядролық энергия экспериментінің электр желісіне қажетті компоненттердің 75%-ын тапсырды және ITER плазмасын талдауға арналған алты диагностикалық құралды жобалау және құрылыс жұмыстарын жүргізді. PPPL физигі Ричард Ховрилюк 2011-2013 жылдары ITER бас директорының орынбасары болып қызмет етті. 2022 жылы PPPL қызметкерлері, басқа ұлттық зертханалар мен университеттерден келген зерттеушілермен бірге бірнеше ай бойы Біріккен термоядролық энергия ғылымдарының зерттеу қажеттіліктері жөніндегі семинарда АҚШ ITER зерттеу жоспасын жасады. Қызметкерлер термоядролық зерттеулерден алынған білімді материалтану, күн физикасы, химия және өндіріс сияқты теориялық және тәжірибелік салаларға қолданады. PPPL сонымен қатар мемлекеттік-жекеменшік серіктестіктерін көбейту арқылы термоядролық энергияны дамыту процесін жеделдетуді көздейді.
Көлік
Tiger Transit 3-бағыты Форрестал кампусына жетеді және PPPL-де тоқтатылады.