Введение
Токамак-тестовый реактор (TFTR) — экспериментальный токамак, построенный в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) около 1980 года и введенный в эксплуатацию в 1982 году. TFTR был разработан с четкой целью достижения научной энергетической самодостаточности – точки, в которой тепло, выделяемое в результате реакций термоядерного синтеза в плазме, равно или превышает тепло, подводимое к плазме внешними устройствами для её нагрева.
The Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) was an experimental tokamak built at Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) circa 1980 and entering service in 1982. TFTR was designed with the explicit goal of reaching scientific breakeven, the point where the heat being released from the fusion reactions in the plasma is equal or greater than the heating being supplied to the plasma by external devices to warm it up. during his time at PPPL in the 1970s.
Общий
В ядерном синтезе существует два типа реакторов, достаточно стабильных для осуществления термоядерного синтеза: реакторы с магнитным удержанием и реакторы с инерционным удержанием. Первый метод стремится увеличить время, в течение которого ионы находятся вблизи друг друга, чтобы обеспечить их слияние, в то время как второй направлен на настолько быстрое слияние ионов, что у них не остается времени для разъединения. Реакторы с инерционным удержанием, в отличие от реакторов с магнитным удержанием, используют лазерный синтез и синтез с помощью ионных пучков для осуществления термоядерной реакции. Однако, при использовании реакторов с магнитным удержанием удается избежать проблемы поиска материала, способного выдерживать высокие температуры термоядерных реакций. Нагревательный ток индуцируется изменяющимися магнитными полями в центральных индукционных катушках и превышает один миллион ампер. Устройства магнитного удержания удерживают горячую плазму вдали от стенок контейнера, поддерживая ее движение по круговым или спиральным траекториям посредством магнитной силы, действующей на заряженные частицы, и центростремительной силы, действующей на движущиеся частицы.
Токамак
К началу 1960-х годов область исследований в области термоядерной энергии достигла значительных размеров, и исследователи начали проводить полугодовые встречи, которые поочередно проходили в различных исследовательских центрах. В 1968 году ежегодная конференция состоялась в Новосибирске, где советская делегация удивила всех заявлением о том, что их конструкции токамаков достигли характеристик, как минимум на порядок превосходящих показатели любого другого устройства. Эти заявления поначалу встретили с недоверием, но после подтверждения результатов британской группой в следующем году, этот огромный прорыв вызвал настоящую "гонку" за строительством токамаков. В США одним из основных направлений исследований до этого момента был стелларатор, разработка которого практически полностью велась в PPPL. Их последняя модель, Model C, недавно была введена в эксплуатацию и продемонстрировала производительность, значительно ниже теоретических расчетов и далекую от практически полезных значений. После подтверждения новосибирских результатов, они незамедлительно приступили к переоборудованию Model C в конфигурацию токамака, получившую название Симметричный Токамак (СТ). Это было завершено всего за восемь месяцев, и установка была введена в эксплуатацию в мае 1970 года. Благодаря компьютерной диагностике СТ быстро удалось добиться сопоставимых с советскими результатов, и с этого момента все мировое сообщество исследователей в области термоядерного синтеза все больше внимания уделяло именно этой конструкции, отодвигая на второй план все остальные.
Принстонский крупный торус
В начале 1970-х годов Шоичи Ёсикава изучал концепцию токамака. Он заметил, что по мере увеличения размера малой оси реактора (диаметр трубы) по сравнению с его большой осью (диаметр всей системы) эффективность системы возрастала. Дополнительным преимуществом было то, что с увеличением малой оси время удержания улучшалось, поскольку ионам топлива требовалось больше времени, чтобы достичь внешней стенки реактора. Это привело к широкому признанию того, что конструкции с меньшим отношением сторон являлись ключевым прогрессом по сравнению с более ранними моделями. Последним шагом перед достижением энергетического баланса было создание реактора, работающего на смеси дейтерия и трития, в отличие от предыдущих машин, работавших только на дейтерии. Это объяснялось тем, что тритий был радиоактивным и легко поглощался организмом, что создавало проблемы безопасности и делало его использование дорогостоящим. Широко считалось, что характеристики машины, работающей только на дейтерии, будут практически идентичны характеристикам машины, работающей на D-T смеси, но это предположение требовало проверки. Изучив представленные на совещании проекты, команда Министерства энергетики США (DOE) выбрала проект Принстона. Это сделало его примерно вдвое больше других крупных машин того времени; Joint European Torus 1978 года и примерно одновременно созданный JT-60 были примерно вдвое меньше по диаметру. Поскольку PLT продолжал демонстрировать все лучшие и лучшие результаты, в 1978 и 1979 годах было выделено дополнительное финансирование и конструкция была изменена для достижения давней цели – "научного энергетического баланса", когда количество энергии, производимой реакциями термоядерного синтеза в плазме, равнялось количеству энергии, затрачиваемой на её нагрев до рабочих температур. Также известный как Q = 1, это важный шаг на пути к созданию перспективных энергогенерирующих установок. Для достижения этой цели система нагрева была модернизирована до 50 МВт, а затем до 80 МВт.
Операции
Строительство началось в 1980 году, а TFTR приступил к начальной эксплуатации в 1982 году. За этим последовал длительный период наладки и испытаний. К середине 1980-х годов начались серьезные испытания с дейтерием для понимания его характеристик. В 1986 году были получены первые «супершоты», в результате которых образовалось большое количество термоядерных нейтронов. Это продемонстрировало, что система может достичь целей, поставленных в первоначальном проекте 1976 года; производительность при работе на дейтерии была такова, что при введении трития ожидалось получение около 3,5 МВт термоядерной мощности. Учитывая энергию, подаваемую в системы нагрева, это соответствовало значению Q около 0,2, или примерно 20% от необходимого для достижения безубыточности. Однако дальнейшие испытания выявили значительные проблемы. Для достижения безубыточности системе необходимо было одновременно соответствовать нескольким параметрам: комбинации температуры, плотности и времени удержания топлива. В апреле 1986 года эксперименты на TFTR продемонстрировали соответствие двум последним параметрам, когда был получен тройной продукт синтеза 1,5 x e=14 Кельвин-секунд на кубический сантиметр, что близко к цели для практического реактора и в пять-семь раз превышает необходимое для безубыточности. Однако это произошло при температуре, значительно более низкой, чем требуемая. В июле 1986 года TFTR достиг температуры плазмы в 200 миллионов кельвинов (200 МК), что на тот момент было самой высокой температурой, когда-либо достигнутой в лабораторных условиях. Эта температура в 10 раз превышает температуру в центре Солнца и более чем достаточна для достижения безубыточности. К сожалению, для достижения этих температур тройной продукт значительно снизился до e=13, что в два-три раза меньше необходимого для безубыточности. Продолжались активные усилия по одновременному достижению этих условий. Дональд Гроув, руководитель проекта TFTR, заявил, что они рассчитывают достичь этой цели в 1987 году. Затем последуют DT-тесты, которые приведут к фактическому достижению безубыточности, начиная с 1989 года. К сожалению, система не смогла достичь ни одной из этих целей. Причины этих проблем интенсивно изучались в последующие годы, что привело к новому пониманию нестабильностей высокопроизводительной плазмы, которые ранее не наблюдались на установках меньшего размера. Важным результатом проблем TFTR стало развитие плазменных поперечных сечений с высокой неоднородностью, в частности, D-образных плазм, которые сейчас доминируют в этой области.
Поздние эксперименты
Хотя стало ясно, что TFTR не достигнет точки безубыточности, эксперименты с использованием трития начались в декабре 1993 года, став первым устройством, перешедшим преимущественно на это топливо. В 1994 году он выдал тогдашний мировой рекорд мощности термоядерного синтеза – 10,7 мегаватт, полученный из плазмы D-T в соотношении 50/50 (этот рекорд был превышен на установке JET в Великобритании, которая в 1997 году генерировала 16 МВт при вводимой тепловой мощности 24 МВт). Оба эксперимента были сосредоточены на альфа-частицах, образующихся в реакциях дейтерия-трития, которые важны для самонагрева плазмы и являются ключевым элементом любой рабочей конструкции. В 1995 году TFTR достиг мировой рекордной температуры в 510 миллионов °C – более чем в 25 раз превышающей температуру в центре Солнца. В следующем году этот показатель был превзойден токамаком JT-60, который достиг ионной температуры 522 миллиона °C (45 кэВ). Также в 1995 году ученые TFTR исследовали новый фундаментальный режим удержания плазмы – удержание с усиленным обратным сдвигом, для снижения турбулентности плазмы. TFTR использовался до 1997 года. Он был демонтирован в сентябре 2002 года после 15 лет эксплуатации, и ему на смену пришел сферический токамак NSTX.