Национальный компактный стелларатор: история неудачного эксперимента

Введение

Национальный компактный стеллараторный эксперимент, сокращенно NCSX, представлял собой эксперимент в области управляемого термоядерного синтеза, основанный на конструкции стелларатора, который строился в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). NCSX был одним из ряда новых конструкций стеллараторов, разработанных в 1990-х годах, после исследований, показавших, что новые геометрии обеспечивают более высокую производительность по сравнению с более простыми установками 1950-х и 1960-х годов. По сравнению с более распространенными токамаками, стеллараторы было гораздо сложнее проектировать и строить, однако они обеспечивали гораздо более стабильную плазму, что является основной проблемой успешного термоядерного синтеза. Конструкция оказалась слишком сложной для реализации, неоднократно превышая запланированный бюджет и сроки. Проект был окончательно отменен 22 мая 2008 года, после того как было потрачено более 70 миллионов долларов. Wendelstein 7-X исследует многие из тех же концепций, которые планировалось реализовать в NCSX.

Ранние звездолаторы

Стеллараторы – одна из первых концепций термоядерной энергии, первоначально разработанная астрофизиком из Принстона Лайманом Спитцером в 1952 году, во время подъема на подъемнике в Аспене. Спитцер, изучая движение плазмы в звездах, понял, что любые простые магнитные конфигурации не смогут удержать плазму внутри установки – плазма будет дрейфовать вдоль силовых линий и в конечном итоге сталкиваться с сосудом. Его решение было простым: изогнув установку на 180 градусов, образовав фигуру, похожую на восьмерку, вместо тора, плазма будет попеременно оказываться внутри или снаружи сосуда, дрейфуя в противоположных направлениях. Компенсация чистого дрейфа не была бы полной, но теоретически задержка в скорости дрейфа казалась достаточной для достижения плазмой условий термоядерного синтеза. Однако на практике это не подтвердилось. Проблема, с которой столкнулись все проекты термоядерных реакторов того времени, заключалась в том, что ионы плазмы дрейфовали намного быстрее, чем предсказывала классическая теория – в сотни и тысячи раз быстрее. Конструкции, обещавшие стабильность в течение секунд, превращались в установки, стабильные лишь на микросекунды. К середине 1960-х годов развитие термоядерной энергетики, казалось, зашло в тупик. Лишь появление в 1968 году конструкции токамака дало толчок развитию отрасли; советские установки демонстрировали производительность как минимум на порядок выше, чем западные разработки, хотя все еще были далеки от практических значений. Улучшение было настолько значительным, что работы над другими конструкциями в значительной степени прекратились, поскольку исследовательские группы по всему миру начали изучать подход, основанный на токамаке. Это касалось и новейших конструкций стеллараторов; модель C только недавно начала функционировать и была быстро переоборудована в симметричный токамак. К концу 1980-х годов стало ясно, что, хотя токамак и стал большим шагом вперед, он также породил новые проблемы. В частности, ток плазмы, используемый в токамаке для стабилизации и нагрева, сам по себе являлся источником нестабильности по мере увеличения тока. Значительная часть последующих 30 лет развития токамаков была посвящена поиску способов увеличения этого тока до уровней, необходимых для поддержания полезной термоядерной реакции, одновременно предотвращая распад плазмы под воздействием этого же тока.

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.

Комплектные звездочки

По мере того как становилось очевидным, насколько серьёзной является проблема с токамаками, группы по термоядерному синтезу по всему миру начали пересматривать другие концепции. Среди ряда идей, отмеченных в ходе этого процесса, стелларатор в частности, казалось, обладал рядом потенциальных изменений, которые могли бы значительно улучшить его характеристики. Основная идея стелларатора заключалась в использовании конфигурации магнитов для подавления дрейфа ионов, но простые конструкции 1950-х годов не обеспечивали этого в достаточной степени. Более серьёзной проблемой были неустойчивости и коллизионные эффекты, которые значительно увеличивали скорости диффузии. В 1980-х годах было отмечено, что одним из способов улучшения характеристик токамака является использование нециркулярных поперечных сечений для области удержания плазмы; ионы, движущиеся в этих неоднородных областях, перемешивались и препятствовали формированию крупномасштабных неустойчивостей. Применение той же логики к стелларатору, казалось, предлагало те же преимущества. Однако, поскольку в стеллараторе отсутствует или снижен ток плазмы, плазма была бы более стабильной изначально. Если учесть конфигурацию магнитов, необходимую для достижения обеих целей – извилистый путь вокруг окружности устройства, а также множество небольших изгибов и перемешиваний по пути – конструкция становится чрезвычайно сложной, выходящей за рамки возможностей традиционных средств проектирования. Только благодаря использованию массивно-параллельных компьютеров удалось глубоко изучить конструкции и создать подходящие проекты магнитов. Результатом стало очень компактное устройство, значительно меньшее по внешним размерам, чем классическая конструкция для заданного объёма плазмы, с низким отношением сторон. Низкое отношение сторон крайне желательно, поскольку позволяет уменьшить размеры машины при заданной мощности, что снижает затраты на строительство. К концу 1990-х годов исследования новых конструкций стеллараторов достигли стадии, подходящей для создания машины, использующей эти концепции. По сравнению со стеллараторами 1960-х годов, новые машины могли использовать сверхпроводящие магниты для достижения гораздо более высоких напряжённостей поля, быть лишь немного больше, чем модель C, но иметь значительно больший объём плазмы, а форма области удержания плазмы внутри варьировалась от круглой до плоской и обратно, совершая несколько витков.

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.