Принстонская плазменная физическая лаборатория: история и исследования термоядерного синтеза.

Введение

Национальная лаборатория физики плазмы и науки о ядерном синтезе в Принстоне, Нью-Джерси.

Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) — национальная лаборатория Министерства энергетики США, занимающаяся физикой плазмы и наукой о ядерном синтезе. Её основная задача — исследование и разработка термоядерного синтеза как источника энергии. Лаборатория известна разработкой конструкций стелларатора и токамака, а также многочисленными фундаментальными достижениями в физике плазмы и изучением различных концепций удержания плазмы. PPPL выросла из сверхсекретного проекта времён холодной войны по управлению термоядерными реакциями, известного как Project Matterhorn. В 1951 году фокус программы изменился с разработки водородной бомбы на получение энергии термоядерного синтеза, когда Лайман Спиццер разработал концепцию стелларатора и получил финансирование от Комиссии по атомной энергии для её изучения. Это привело к созданию ряда машин в 1950-х и 1960-х годах. В 1961 году, после рассекречивания, Project Matterhorn был переименован в Принстонскую лабораторию физики плазмы. Стеллараторы PPPL не смогли достичь поставленных целей. В 1968 году заявления советских учёных об отличных характеристиках их токамаков вызвали сильный скептицизм, и для проверки этих данных стелларатор модели C PPPL был переоборудован в токамак. Эксперимент подтвердил советские заявления, и с тех пор PPPL является мировым лидером в теории и проектировании токамаков, создавая ряд машин, устанавливающих рекорды, включая Princeton Large Torus, TFTR и многие другие. Для тестирования конкретных проблем и решений были построены десятки небольших машин, в том числе ATC, NSTX и LTX. PPPL расположена на территории кампуса Форрестал Принстонского университета в городе Плейнсборо, штат Нью-Джерси.

Формирование

В 1950 году Джон Уилер создавал секретную лабораторию по исследованию водородной бомбы в Принстонском университете. Лайман Спитцер-младший, страстный альпинист, знал об этой программе и предложил назвать ее "Проект Маттерхорн". Спитцер, профессор астрономии, много лет занимался изучением очень горячих разреженных газов в межзвездном пространстве. Когда в феврале 1951 года он отправился на лыжи в Аспен, его отец позвонил и сказал ему прочитать первую страницу газеты "Нью-Йорк Таймс". В газете была статья о заявлениях, опубликованных накануне в Аргентине, что относительно неизвестный немецкий ученый по имени Рональд Рихтер достиг ядерного синтеза в своем проекте Huemul. В конечном итоге Спитцер отверг эти утверждения, и позже они оказались ошибочными, но эта история заставила его задуматься о синтезе. Во время поездки на подъемнике в Аспене он пришел к новой концепции удержания плазмы в течение длительного времени, чтобы ее можно было нагреть до температур синтеза. Он назвал эту концепцию "стелларатором". Позже в том же году он представил этот проект Комиссии по атомной энергии в Вашингтоне. В результате этой встречи и обзора изобретения учеными по всей стране, предложение о стеллараторе было профинансировано в 1951 году. Поскольку устройство должно было производить высокоэнергетические нейтроны, которые можно было бы использовать для производства топлива для оружия, программа была засекречена и выполнялась в рамках проекта "Маттерхорн". В конечном счете, в 1954 году проект "Маттерхорн" прекратил участие в разработке бомб, полностью посвятив себя области термоядерной энергии. В 1958 году исследования в области магнитного синтеза были рассекречены после Международной конференции ООН по мирному использованию атомной энергии. Это вызвало приток аспирантов, желающих изучить "новую" физику, что, в свою очередь, повлияло на лабораторию, чтобы больше сосредоточиться на фундаментальных исследованиях. К ранним стеллараторам с формой "восьмерки" относились: Модель А, Модель В, Модель В2, Модель В3. Последним и самым мощным стелларатором того времени была "гоночная трасса" Модель С (работавшая с 1961 по 1969 год).

Токамак

К середине 1960-х годов стало очевидно, что с стеллараторами что-то было принципиально не так, поскольку они теряли топливо со скоростью, значительно превышающей теоретические предсказания, и эта потеря энергии из плазмы была намного больше, чем могла бы произвести реакция термоядерного синтеза. Шпитцер стал крайне скептически относиться к возможности получения энергии термоядерного синтеза и открыто выразил свое мнение в 1965 году на международной конференции в Великобритании. На той же конференции советская делегация представила результаты, примерно в 10 раз превосходящие показатели любого предыдущего устройства, что Шпитцер списал на ошибку измерения. На следующей встрече в 1968 году советские ученые представили значительные данные, полученные на их установках, которые демонстрировали еще более высокую производительность – примерно в 100 раз превышающую предел диффузии Бома. Между Комиссией по атомной энергии (AEC) и различными лабораториями разгорелся ожесточенный спор о достоверности этих результатов. Когда в 1969 году британская группа подтвердила эти данные, AEC предложила PPPL переоборудовать свою Модель C в токамак для проведения испытаний, поскольку единственной лаборатории, готовой построить установку с нуля, – Ок-Ридж – потребовалось бы время для строительства своей. Опасаясь потерять свои позиции в области термоядерного синтеза, PPPL в конечном итоге согласилась переоборудовать Модель C в то, что стало Симметричным Токамаком (ST), быстро подтвердив эффективность этого подхода. За ST последовали две небольшие установки, предназначенные для изучения способов нагрева плазмы, а затем Принстонский Большой Тор (PLT), чтобы проверить, верна ли теория о том, что более крупные установки будут более стабильными. Начиная с 1975 года, PLT подтвердил эти "законы масштабирования", а затем добавил систему нейтральной инжекции пучков из Ок-Риджа, что привело к серии рекордов температуры плазмы, в конечном итоге достигнув 78 миллионов кельвинов – значительно выше, чем необходимо для практической системы термоядерной энергии. Этот успех стал важной новостью. Благодаря этой череде успехов PPPL без труда выиграла тендер на строительство еще более крупной установки, специально разработанной для достижения "точки безубыточности" при работе на реальном топливе для термоядерного синтеза, а не на тестовом газе. Так появился Токамак для Испытаний Термоядерного Синтеза (TFTR), который был завершен в 1982 году. После длительного периода наладки TFTR начал постепенно увеличивать температуру и плотность топлива, используя в качестве топлива дейтерий. В апреле 1986 года он продемонстрировал сочетание плотности и времени удержания, так называемый тройной продукт термоядерного синтеза, значительно превышающий требования для практического реактора. В июле температура достигла 200 миллионов кельвинов – намного больше, чем необходимо. Однако, когда система работала одновременно при обоих этих условиях – достаточно высоком тройном продукте и температуре – она становилась нестабильной. Три года усилий не привели к решению этих проблем, и TFTR так и не достиг своей цели. Установка продолжала проводить фундаментальные исследования этих проблем до своего закрытия в 1997 году. Начиная с 1993 года, TFTR стал первым в мире устройством, использующим смеси дейтерия и трития в соотношении 1:1. В 1994 году он выдал беспрецедентную мощность в 10,7 мегаватт. В 2015 году PPPL завершила модернизацию NSTX, создав NSTX U, который стал самой мощной экспериментальной установкой термоядерного синтеза, или токамаком, в мире. В 2017 году группа получила грант NIAC Фазы II, а также два гранта NASA STTR на финансирование подсистемы радиочастоты и подсистемы сверхпроводящих катушек.

By the mid 1960s it was clear something was fundamentally wrong with the stellarators, as they leaked fuel at rates far beyond what theory predicted, rates that carried away energy from the plasma that was far beyond what the fusion reactions could ever produce. Spitzer became extremely skeptical that fusion energy was possible and expressed this opinion in very public fashion in 1965 at an international meeting in the UK. At the same meeting, the Soviet delegation announced results about 10 times better than any previous device, which Spitzer dismissed as a measurement error. At the next meeting in 1968, the Soviets presented considerable data from their devices that showed even greater performance, about 100 times the Bohm diffusion limit. An enormous argument broke out between the AEC and the various labs about whether this was real. When a UK team verified the results in 1969, the AEC suggested PPPL to convert their Model C to a tokamak to test it, as the only lab willing to build one from scratch, Oak Ridge, would need some time to build theirs. Seeing the possibility of being bypassed in the fusion field, PPPL eventually agreed to convert the Model C to what became the Symmetric Tokamak (ST), quickly verifying the approach. Two small machines followed the ST, exploring ways to heat the plasma, and then the Princeton Large Torus (PLT) to test whether the theory that larger machines would be more stable was true. Starting in 1975, PLT verified these "scaling laws" and then went on to add neutral beam injection from Oak Ridge that resulted in a series of record setting plasma temperatures, eventually topping out at 78 million kelvins, well beyond what was needed for a practical fusion power system. Its success was major news. With this string of successes, PPPL had little trouble winning the bid to build an even larger machine, one specifically designed to reach "breakeven" while running on an actual fusion fuel, rather than a test gas. This produced the Tokamak Fusion Test Reactor, or TFTR, which was completed in 1982. After a lengthy breaking in period, TFTR began slowly increasing the temperature and density of the fuel, while introducing deuterium gas as the fuel. In April 1986, it demonstrated a combination of density and confinement, the so called fusion triple product, well beyond what was needed for a practical reactor. In July, it reached a temperature of 200 million kelvins, far beyond what was needed. However, when the system was operated with both of these conditions at the same time, a high enough triple product and temperature, the system became unstable. Three years of effort failed to address these issues, and TFTR never reached its goal. The system continued performing basic studies on these problems until being shut down in 1997. Beginning in 1993, TFTR was the first in the world to use 1:1 mixtures of deuterium–tritium. In 1994 it yielded an unprecedented 10.7 megawatts of fusion power. In 2015, PPPL completed an upgrade to NSTX to produce NSTX U that made it the most powerful experimental fusion facility, or tokamak, of its type in the world. In 2017, the group received a Phase II NIAC grant along with two NASA STTRs funding the RF subsystem and superconducting coil subsystem.

Прочая отечественная и международная исследовательская деятельность

Ученые из лабораторий сотрудничают с исследователями в области термоядерной науки и технологий на других объектах, включая DIII-D в Сан-Диего, EAST в Китае, JET в Великобритании, KSTAR в Южной Корее, LHD в Японии, установку Wendelstein 7-X (W7-X) в Германии и Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER) во Франции. PPPL управляет деятельностью проекта ITER США совместно с Национальной лабораторией Оук-Ридж и Национальной лабораторией Саванны-Ривер. В 2017 году лаборатория поставила 75% компонентов для электрической сети эксперимента по термоядерному синтезу и возглавила проектирование и строительство шести диагностических приборов для анализа плазмы ITER. Физик PPPL Ричард Ховрилюк занимал должность заместителя генерального директора ITER с 2011 по 2013 год. В 2022 году сотрудники PPPL совместно с исследователями из других национальных лабораторий и университетов разработали в течение нескольких месяцев исследовательский план US ITER в рамках совместного семинара по определению исследовательских потребностей в области термоядерной энергетики. Сотрудники применяют знания, полученные в ходе исследований термоядерного синтеза, в ряде теоретических и экспериментальных областей, включая материаловедение, физику Солнца, химию и производство. PPPL также стремится ускорить развитие термоядерной энергетики посредством расширения числа государственно-частных партнерств.

Транспортировка

Маршрут №3 Tiger Transit следует до кампуса Форрестал и завершает свой маршрут в PPPL.