START: Эксперимент по термоядерному синтезу в сферическом токамаке.
Small Tight Aspect Ratio Tokamak
START: эксперимент по термоядерному синтезу в Великобритании. Первый сферический токамак, снизивший стоимость и улучшивший удержание плазмы магнитным полем.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Малый токамак с плотным соотношением сторон, или START, был экспериментом по ядерному синтезу, в котором для удержания плазмы использовалось магнитное удержание. START стал первой полноразмерной установкой, использующей сферическую конструкцию токамака, целью которой было значительное уменьшение соотношения сторон по сравнению с традиционной конструкцией токамака. Эксперимент начался в Научном центре Калхэма в Великобритании в 1990 году и был завершен в 1998 году. Он был создан как недорогой проект, в основном с использованием деталей, которые уже были в распоряжении команды START. Эксперимент START совершил революцию в области токамаков, изменив предыдущую тороидальную форму на более компактную, почти сферическую, форму тора. Новая форма повысила эффективность за счет снижения стоимости по сравнению с традиционной конструкцией, а поле, необходимое для поддержания стабильной плазмы, оказалось в 10 раз меньше.
The Small Tight Aspect Ratio Tokamak, or START was a nuclear fusion experiment that used magnetic confinement to hold plasma. START was the first full sized machine to use the spherical tokamak design, which aimed to greatly reduce the aspect ratio of the traditional tokamak design. The experiment began at the Culham Science Centre in the United Kingdom in 1990 and was retired in 1998. It was built as a low cost design, largely using parts already available to the START team. The START experiment revolutionized the tokamak by changing the previous toroidal shape into a tighter, almost spherical, doughnut shape. The new shape increased efficiency by reducing the cost over the conventional design, while the field required to maintain a stable plasma was a factor of 10 less.
Строительство
Основные компоненты, составляющие установку СТАРТ, включали в себя опорную конструкцию, импульсный трансформатор, вакуумную камеру, тороидальные и полоидальные катушки магнитного поля, а также ограничитель. Опорная конструкция позиционировала и поддерживала вакуумную камеру, которая имела общий сферический центр с большим импульсным трансформатором. Основная функция импульсного трансформатора заключалась в обеспечении тока для тороидальных катушек, который подавался через пятнадцать железных сердечников, спирально намотанных из железной ленты толщиной 0,03 мм. Тороидальная катушка представляла собой центральный медный проводник, расположенный на оси вакуумной камеры, и крепилась к ней через медные выводы, покрытые изолирующими зажимами. Внутри вакуумной камеры СТАРТ располагалось шесть полоидальных катушек, заключенных в корпуса толщиной 3 мм из нержавеющей стали. Полоидальные катушки поддерживались от основания камеры, и каждая из них могла быть отрегулирована при необходимости. Вакуумная камера являлась основным сосудом для проведения экспериментов; она имела цилиндрическую форму и была разделена на три секции. Камера оснащалась многочисленными портами для подключения насосов и диагностического оборудования. Графитовый ограничитель был расположен вокруг центральной трубки из нержавеющей стали, что позволяло просто измерять внутреннюю границу плазмы в ходе экспериментов.
The main components that comprised START included the support structure, pulse transformer, vacuum tank, toroidal and poloidal field coils, and a limiter. The support structure positioned and supported the vacuum tank which also shared the same spherical center as the large pulse transformer. The main role of the pulse transformer was to provide the current for the toroidal field coils which was supplied through fifteen iron cores that were spirally wound from a .03 millimeter iron strip. The toroidal field coil was a central conductor made of copper on the axis of the vacuum tank, and was attached to the vacuum tank through copper limbs covered by insulated clamps. START had six poloidal field coils within the vacuum tank and were encased in 3 millimeter stainless steel cases. The poloidal coils were supported from the base of the tank and each could be adjusted as necessary. The vacuum tank was the primary vessel where experiments take place; it was cylindrical in shape and was divided into three sections. The tank offered numerous ports for the attachment of pumps and diagnostics. A graphite limiter was positioned around the central stainless steel tube and this provided a simple way to measure the innermost edge of the plasma during experiments.
Операция
Чтобы успешно нагревать эксперименты в сферическом токамаке, физики использовали инжекцию нейтральных пучков. Это заключалось во введении водорода в плазму водорода или дейтерия, что обеспечивало эффективный нагрев как ионов, так и электронов. Хотя атомы вводились без результирующего электростатического заряда, по мере прохождения пучка через плазму атомы ионизировались, сталкиваясь с уже находящимися в плазме ионами. В результате, поскольку магнитное поле внутри тора было круговым, эти быстрые ионы удерживались в фоновой плазме. Фоновая плазма замедляла эти быстрые ионы, подобно тому, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов плазме повышала общую температуру плазмы. Инжектор нейтральных пучков, использованный в START, был предоставлен Национальной лабораторией Оук-Ридж. Предел магнитогидродинамической неустойчивости (MHD) являлся операционным пределом для токамаков, и START не был исключением. Команда START исследовала MHD с помощью сорока шести наборов катушек Мирнова, расположенных на разной высоте на центральной колонне START. Плазма, формируемая сжатием в START, ограничивала флуктуации MHD. До октября 1995 года в START не наблюдалось быстрых остановок. В октябре 1995 года были установлены диверторные катушки, и изображения показали, что плазма взаимодействовала с катушками перед возникновением срывов. Эти подозрения усилились, когда в декабре 1996 года диверторные катушки были поднесены ближе к плазме, что привело к увеличению частоты срывов. В ряде экспериментов с START было достигнуто 32% бета, в то время как предыдущий мировой рекорд для токамаков составлял 12,6%. Факторы, способствовавшие значительно более высокому значению бета, включают улучшенные условия вакуума, более мощную инжекцию нейтральных пучков, более низкое тороидальное поле, более высокое давление плазмы и более низкое магнитное давление.
In order to successfully heat experiments in a spherical tokamak, physicists performed neutral beam injection. This involved interjecting hydrogen into hydrogen or deuterium plasmas, providing effective heating of both ions and electrons. Although the atoms were injected with no net electrostatic charge, as the beam passed through the plasma, the atoms were ionized as they bounced off the ions already in the plasma. Consequently, because the magnetic field inside the torus was circular, these fast ions were confined to the background plasma. The background plasma slowed the confined fast ions, in a similar way to how air resistance slows down a baseball. The energy transfer from the fast ions to the plasma increased the overall plasma temperature. The neutral beam injector used in START was on loan from Oak Ridge National Laboratory. The magneto hydro dynamic limit (MHD) was an operational limit of tokamaks, with START being no exception. The START team would test the MHD using forty six sets of Mirnov coils at different heights on the center column of START. Plasmas being formed by compression within START limited the fluctuation of the MHD. Prior to October 1995, START had no rapid terminations. In October 1995, divertor coils were installed and images showed the plasma would interact with the coils before disruptions occurred. These suspicions were further strengthened when the divertor coils were moved closer to the plasma in December 1996, which resulted in a higher frequency of disruptions. A number of experiments reached 32 percent beta with START, where the previous world record for beta in a tokamak was 12.6 percent. Factors that contributed to the significantly higher beta number include better vacuum conditions, a more powerful neutral beam injection, a lower toroidal field, a higher plasma pressure, and a lower magnetic pressure.
Наследие
В марте 1998 года эксперимент START был завершен, после чего был демонтирован и перевезен в исследовательскую лабораторию ENEA во Фраскати, Италия, где послужил основой для Proto Sphera. Команда START начала эксперимент Mega Ampere Spherical Tokamak, или MAST, в 1999 году, который работал в Научном центре Калхэма, Великобритания, до 2013 года.
In March 1998, the START experiment finished and has since been disassembled and transferred to the ENEA research laboratory at Frascati, Italy, where it formed the basis of Proto Sphera. The START team began the Mega Ampere Spherical Tokamak Experiment or MAST in 1999 which operated in the Culham Science Centre, UK until 2013.