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.

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.