Historia syntezy jądrowej - History of nuclear fusion

Zobacz też: Energia termojądrowa § Historia badań

Historia syntezy jądrowej rozpoczął na początku 20. wieku jako dochodzenia w jaki sposób gwiazdy zasilany siebie i rozszerzony o uwzględnienie szerokiego dochodzenie w sprawie natury materii i energii, jako potencjalnych zastosowań poszerzony o działania wojenne, produkcji energii i napędu rakietowego.

Wczesne badania

W 1920 roku brytyjski fizyk Francis William Aston odkrył, że równoważnik masowy czterech atomów wodoru jest cięższy niż masa jednego atomu helu ( He-4 ), co sugerowało, że energia netto może zostać uwolniona przez połączenie atomów wodoru w hel. To dostarczyło pierwszych wskazówek mechanizmu, dzięki któremu gwiazdy mogą wytwarzać energię. W latach dwudziestych Arthur Stanley Eddington stał się głównym orędownikiem reakcji łańcuchowej proton-proton (reakcja PP) jako głównego układu napędzającego Słońce . Tunelowanie kwantowe zostało odkryte przez Friedricha Hunda w 1929 roku, a wkrótce potem Robert Atkinson i Fritz Houtermans wykorzystali zmierzone masy lekkich pierwiastków, aby pokazać, że duże ilości energii mogą być uwalniane przez fuzję małych jąder.

Henry Norris Russell zaobserwował, że zależność na diagramie Hertzsprunga-Russella sugeruje, że ciepło gwiazdy pochodzi z gorącego jądra, a nie z całej gwiazdy. Eddington użył tego do obliczenia, że ​​jądro musiałoby mieć około 40 milionów K. Stało się to przedmiotem dyskusji, ponieważ wartość jest znacznie wyższa niż obserwacje astronomiczne, które sugerowały około jednej trzeciej do połowy tej wartości. George Gamow przedstawił matematyczną podstawę tunelowania kwantowego w 1928 roku. W 1929 Atkinson i Houtermans przedstawili pierwsze szacunki szybkości syntezy gwiazd. Wykazali, że fuzja może zachodzić przy niższych energiach, niż wcześniej sądzono, popierając obliczenia Eddingtona.

Eksperymenty jądrowe zaczęły użyciem akceleratora cząstek zbudowany przez Jana Cockcroft i Ernest Walton w Ernest rutherfordy ' Cavendish Laboratory na University of Cambridge . W 1932 Walton wyprodukował pierwsze rozszczepienie wykonane przez człowieka, używając protonów z akceleratora do rozszczepienia litu na cząstki alfa . Akcelerator był następnie używany do strzelania deuteronami w różne cele. Pracując z Rutherfordem i innymi, Mark Oliphant odkrył jądra helu-3 ( heliony ) i trytu ( trytony ), pierwszy przypadek fuzji spowodowanej przez człowieka.

Neutrony z fuzji zostały po raz pierwszy wykryte w 1933 roku. Eksperyment obejmował przyspieszenie protonów w kierunku celu przy energiach do 600 000 elektronowoltów.

Teoria zweryfikowana przez Hansa Bethe w 1939 r. wykazała, że rozpad beta i tunelowanie kwantowe w jądrze Słońca mogą przekształcić jeden z protonów w neutron i tym samym wytworzyć deuter zamiast diprotonu . Deuter następnie stapiałby się w innych reakcjach, aby jeszcze bardziej zwiększyć produkcję energii. Za tę pracę Bethe zdobył w 1967 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki .

W 1938 roku Peter Thonemann opracował szczegółowy plan urządzenia zaciskowego , ale polecono mu wykonać inne prace do swojej pracy magisterskiej.

Pierwszy patent dotyczący reaktora termojądrowego został zarejestrowany w 1946 r. przez brytyjską Agencję Energii Atomowej . Wynalazcami byli Sir George Paget Thomson i Moses Blackman . Było to pierwsze szczegółowe badanie koncepcji zacisku Z. Począwszy od 1947 r. dwa brytyjskie zespoły przeprowadziły eksperymenty oparte na tej koncepcji.

1950

Pierwszym urządzeniem stworzonym przez człowieka, które uzyskało zapłon, była detonacja tego urządzenia fuzyjnego o kryptonimie Ivy Mike .
Wczesne zdjęcie plazmy wewnątrz maszyny dociskowej (Imperial College 1950/1951)

Pierwszym udanym urządzeniem do syntezy jądrowej stworzonym przez człowieka była broń o zwiększonym rozszczepieniu, przetestowana w 1951 r. w teście Greenhouse Item . Pierwszą prawdziwą bronią fuzyjną był Ivy Mike z 1952 roku , a pierwszym praktycznym przykładem był Castle Bravo z 1954 roku . W tych urządzeniach energia uwolniona przez eksplozję rozszczepienia kompresuje i podgrzewa paliwo, rozpoczynając reakcję fuzji. Fuzja uwalnia neutrony . Neutrony te uderzają w otaczające paliwo rozszczepienia, powodując, że atomy rozszczepiają się znacznie szybciej niż normalne procesy rozszczepienia. Zwiększyło to skuteczność bomb: zwykła broń rozszczepialna rozsadza się, zanim zużyje się całe paliwo; Broń termojądrowa/rozszczepialna nie marnuje paliwa.

Stellarator

W 1949 roku emigrant z Niemiec Ronald Richter zaproponował projekt Huemul w Argentynie, ogłaszając pozytywne wyniki w 1951 roku. Te okazały się fałszywe, ale wzbudziły zainteresowanie innych. Lyman Spitzer zaczął rozważać sposoby rozwiązania problemów związanych z ograniczaniem gorącej plazmy i, nieświadomy wysiłków ze skurczem-z, stworzył stellarator. Spitzer wystąpił do amerykańskiej Komisji Energii Atomowej o dofinansowanie budowy urządzenia testowego.

W tym okresie James L. Tuck , który pracował z zespołami z Wielkiej Brytanii nad Z-pinch, przedstawiał koncepcję stellarator swoim współpracownikom w LANL. Kiedy usłyszał o boisku Spitzera, złożył wniosek o zbudowanie własnej maszyny do ściskania , Maybeatron .

Pomysł Spitzera zdobył finansowanie i rozpoczął pracę w ramach Projektu Matterhorn. Jego praca doprowadziła do powstania Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Tuck wrócił do LANL i zorganizował lokalne fundusze na budowę swojej maszyny. W tym czasie było jasne, że maszyny dociskowe są dotknięte niestabilnością, hamując postęp. W 1953 roku Tuck i inni zaproponowali rozwiązania, które doprowadziły do ​​powstania drugiej serii maszyn zaciskowych, takich jak urządzenia ZETA i Sceptre .

Pierwsza maszyna Spitzera, „A”, działała, ale jego następna, „B”, cierpiała na niestabilność i wycieki plazmy.

W 1954 r. przewodniczący AEC Lewis Strauss przewidział elektryczność jako „ zbyt tanią na liczniki ”. Strauss prawdopodobnie odnosił się do mocy syntezy jądrowej, będącej częścią tajnego Projektu Sherwood – ale jego wypowiedź została zinterpretowana jako odnosząca się do rozszczepienia. AEC wydała przed Kongresem bardziej realistyczne zeznania dotyczące rozszczepienia, przewidując, że „koszty można obniżyć… [do]… mniej więcej tyle samo, co koszt energii elektrycznej ze źródeł konwencjonalnych…”.

Edwarda Tellera

W 1951 Edward kasowy i Stanisław Ułam z Los Alamos National Laboratory (LANL) opracował konstrukcja kasowego-ulam na termojądrowej broni , co pozwala na rozwój wielu Megatón bomby wydajność syntezy. Prace nad fuzją w Wielkiej Brytanii zostały sklasyfikowane po aferze Klausa Fuchsa .

W połowie lat pięćdziesiątych narzędzia teoretyczne używane do obliczania wydajności maszyn termojądrowych nie przewidywały ich rzeczywistego zachowania. Maszyny niezmiennie przepuszczały plazmę w tempie znacznie wyższym niż przewidywano. W 1954 Edward Teller zebrał badaczy syntezy jądrowej w Princeton Gun Club. Zwrócił uwagę na problemy i zasugerował, że każdy system, który ograniczałby plazmę w polach wklęsłych, był skazany na porażkę z powodu tego, co stało się znane jako niestabilność wymiany . Uczestnicy pamiętają, jak powiedział, że w efekcie pola są jak gumki i próbują wrócić do prostej konfiguracji, gdy moc zostanie zwiększona, wyrzucając plazmę. Zasugerował, że jedynym sposobem przewidywalnego ograniczenia plazmy byłoby użycie pól wypukłych: konfiguracji „zakrętu”. :118

Po zakończeniu spotkania większość badaczy opublikowała dokumenty wyjaśniające, dlaczego obawy Tellera nie dotyczyły ich urządzeń. Maszyny dociskowe nie wykorzystywały w ten sposób pól magnetycznych, natomiast zwierciadła i stellaratory proponowały różne rozwiązania. Wkrótce potem pojawił się artykuł Martina Davida Kruskala i Martina Schwarzschilda omawiający maszyny dociskowe, który pokazał, że niestabilność tych urządzeń jest nieodłączna. :118

ZETA

Największym „klasycznym” urządzeniem zaciskowym był ZETA , który rozpoczął działalność w Wielkiej Brytanii w 1957 roku. Jego nazwa to start na małych eksperymentalnych reaktorach rozszczepienia, które często miały w nazwie „zerową energię”, takich jak ZEEP .

Na początku 1958 roku John Cockcroft ogłosił, że w ZETA dokonano fuzji, co trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Odrzucił obawy amerykańskich fizyków. Eksperymenty amerykańskie wkrótce wyprodukowały podobne neutrony, chociaż pomiary temperatury sugerowały, że nie mogą one pochodzić z fuzji. Później wykazano, że neutrony ZETA pochodzą z różnych wersji procesów niestabilności, które nękały wcześniejsze maszyny. Cockcroft został zmuszony do wycofania się z twierdzeń o fuzji, przez lata plamiąc całe pole. ZETA zakończyła się w 1968 roku.

Scylla

Pierwszy eksperyment mający na celu osiągnięcie kontrolowanej fuzji termojądrowej został przeprowadzony przy użyciu Scylli I w LANL w 1958 roku. Scylla I była maszyną -pinch z cylindrem pełnym deuteru. Prąd elektryczny wystrzelił po bokach cylindra. Prąd wytwarzał pola magnetyczne, które ściskały plazmę, podnosząc temperaturę do 15 milionów stopni Celsjusza na wystarczająco długo, aby atomy łączyły się i wytwarzały neutrony. Program Sherwood sponsorował serię maszyn Scylla w Los Alamos. Program rozpoczął się od 5 badaczy i 100 000 dolarów dofinansowania z USA w styczniu 1952 roku. Do 1965 roku wydano łącznie 21 milionów dolarów. Podejście -pinch zostało porzucone po tym, jak obliczenia wykazały, że nie można go zwiększyć do produkcji reaktora.

Tokamak

W 1950-1951 w ZSRR , Igor.E. Tamm i AD Sacharow po raz pierwszy omówili podejście podobne do tokamaka . Eksperymentalne badania nad tymi projektami rozpoczęły się w 1956 roku w Moskiewskim Instytucie Kurczatowa przez grupę sowieckich naukowców kierowanych przez Lwa Artsimowicza . Tokamak zasadniczo łączył urządzenie ściskające o małej mocy ze stellaratorem o małej mocy. Chodziło o połączenie pól w taki sposób, aby cząstki krążyły w reaktorze określoną liczbę razy, dziś znany jako „ współczynnik bezpieczeństwa ”. Połączenie tych pól radykalnie skróciło czasy i zagęszczenie zamknięcia, skutkując ogromnymi ulepszeniami w stosunku do istniejących urządzeń.

Inne

Ivy Mike , pierwsza broń termojądrowa , w 1952 r.

W 1951 Ivy Mike , część Operation Ivy , stał się pierwszym detonacja z termojądrowej broń , otrzymując 10,4 megaton TNT zastosowaniem ciekłych deuterium.Cousins i Ware zbudowali toroidalny zaciskową urządzenia w Anglii i wykazano, że w osoczu

urządzenia zaciskowe są z natury niestabilne. W 1953 r. Związek Radziecki przetestował swój test RDS-6S (o nazwie kodowej „ Joe 4 ” w USA) zademonstrował

opracował projekt rozszczepienia/fuzji/rozszczepienia („ciasto warstwowe”), który dał 600 kiloton. Igor Kurczatow przemawiał w Harwell na urządzeniach zaciskających, ujawniając, że ZSRR pracuje nad fuzją.

Chcąc wytwarzać energię elektryczną, Japonia , Francja i Szwecja rozpoczynają programy badawcze dotyczące syntezy jądrowej

W 1956 r. Związek Radziecki zaczął publikować artykuły na temat fizyki plazmy, co skłoniło Stany Zjednoczone i Wielką Brytanię do śledzenia przez następne kilka lat.

Berło III Z-pinch kolumna osoczu pozostał stabilny przez 300 do 400 mikrosekund, dramatycznej poprawy w poprzednich wysiłków. Zespół obliczył, że plazma miała rezystywność elektryczną około 100 razy większą niż miedź i była w stanie przenosić prąd o natężeniu 200 kA przez 500 mikrosekund.

1960

W 1960 roku John Nuckols opublikował koncepcję inercyjnej syntezy termojądrowej (ICF). Laser , wprowadzony w tym samym roku, okazała się odpowiednia „kierowca”.

W 1961 roku Związek Radziecki przetestował swoją 50-megatonową Car Bombę , najpotężniejszą broń termojądrową w historii.

Spitzer opublikował kluczowy tekst o fizyce plazmy w Princeton w 1963 roku. Wziął prawa gazu doskonałego i zaadaptował je do zjonizowanej plazmy, rozwijając wiele podstawowych równań używanych do modelowania plazmy.

Fuzja laserowa została zasugerowana w 1962 przez naukowców z LLNL. Początkowo lasery miały niewielką moc. Badania nad fuzją laserową ( inercyjną fuzją w utrzymywaniu ) rozpoczęto już w 1965 roku.

Na Wystawie Światowej w 1964 roku publiczność miała swój pierwszy pokaz syntezy jądrowej. Urządzenie to był szczypcem Theta firmy General Electric. Było to podobne do maszyny Scylla opracowanej wcześniej w Los Alamos.

W połowie lat 60. postęp na całym świecie utknął w martwym punkcie. Wszystkie główne projekty traciły plazmę w niezrównoważonym tempie. Próba 12-wiązkowego „lasera 4 pi” inercyjnej fuzji ograniczającej opracowana w LLNL skierowana była na wypełnioną gazem komorę docelową o średnicy około 20 centymetrów.

Zwierciadło magnetyczne została po raz pierwszy opublikowana w 1967 roku przez Richarda F. post i wiele innych w LLNL. Lustro składało się z dwóch dużych magnesów ułożonych tak, że miały w sobie silne pola i słabsze, ale połączone pole między nimi. Plazma wprowadzona w obszar pomiędzy dwoma magnesami „odbije się” od silniejszych pól pośrodku.

Grupa AD Sacharowa skonstruowała pierwsze tokamaki. Największy sukces odniósł T-3 i jego większa wersja T-4. T-4 został przetestowany w 1968 roku w Nowosybirsku , dając pierwszą quasistacjonarną reakcję fuzji. :90 Kiedy to ogłoszono, społeczność międzynarodowa była sceptyczna. Brytyjska drużyna została zaproszona do obejrzenia T-3 i potwierdziła sowieckie twierdzenia. Nastąpiła eksplozja aktywności, gdy wiele planowanych urządzeń zostało porzuconych, a na ich miejsce wprowadzono tokamaki — stellarator modelu C, który był wówczas budowany po wielu przeprojektowaniach, został szybko przekształcony w tokamaka symetrycznego.

W swojej pracy z lampami próżniowymi Philo Farnsworth zaobserwował, że w lampie gromadzi się ładunek elektryczny. W 1962 Farnsworth opatentował projekt wykorzystujący dodatnią klatkę wewnętrzną do koncentracji protonów plazmy i bezpieczników. W tym czasie Robert L. Hirsch dołączył do laboratoriów Farnsworth Television i rozpoczął pracę nad tym, co stało się Farnsworth-Hirsch Fusor . Efekt ten stał się znany jako efekt wielopakunkowy . Hirsch opatentował projekt w 1966 roku i opublikował go w 1967 roku.

Temperatury w osoczu około 40 milionów stopni Celsjusza oraz 10 9 deuteronu-DEUTERON reakcji syntezy na wyładowania uzyskano w LANL z Scylla IV.

W 1968 roku Sowieci ogłosili wyniki z tokamaka T-3 , twierdząc, że temperatura jest o rząd wielkości wyższa niż w jakimkolwiek innym urządzeniu. Wyniki potwierdziła brytyjska drużyna, nazywana „Piątką z Culham”. Wyniki doprowadziły do ​​wielu innych zespołów, w tym grupy Princeton, która przekształciła swój stellarator w tokamak.

lata 70.

Laser Shiva, 1977, największy system laserowy ICF zbudowany w latach siedemdziesiątych
Eksperyment Tandem Mirror (TMX) w 1979 r.

Konwersja stellaratora Modelu C przez Princeton na tokomak dała wyniki odpowiadające Sowietom. Mając widoczne rozwiązanie problemu z butelką magnetyczną, rozpoczynają się plany budowy większej maszyny do testowania skalowania i metod podgrzewania plazmy.

W 1972 r. John Nuckols przedstawił ideę zapłonu, reakcji łańcuchowej syntezy jądrowej. Gorący hel powstały podczas syntezy termojądrowej podgrzewa paliwo i uruchamia więcej reakcji. Artykuł Nuckolsa zapoczątkował poważny wysiłek rozwojowy. LLNL zbudowało systemy laserowe, w tym Argus , Cyclops , Janus , neodymowy laser z domieszką szkła (Nd: szkło) Long Path , laser Shiva i 10-wiązkowy Nova w 1984 roku. Nova ostatecznie wyprodukuje 120 kilodżuli światła podczerwonego podczas impulsu nanosekundowego.

Wielka Brytania zbudowała Centralny Zakład Laserowy w 1976 roku.

Pojawiła się koncepcja „zaawansowanego tokamaka”, która obejmowała nieokrągłą plazmę, wewnętrzne rozdzielacze i ograniczniki, magnesy nadprzewodzące oraz pracę w tak zwanej wyspie „tryb H” o zwiększonej stabilności. Dwa inne projekty stały się widoczne; kompaktowy tokamak umieścił magnesy wewnątrz komory próżniowej, a tokamak sferyczny o jak najmniejszym przekroju poprzecznym.

W 1974 JB Taylor ponownie odwiedził ZETA i zauważył, że po zakończeniu eksperymentu plazma weszła w krótki okres stabilności. Doprowadziło to do koncepcji odwróconego ściskania pola . 1 maja 1974 firma KMS fusion (założona przez Kipa Siegela ) dokonała pierwszej na świecie indukowanej laserowo fuzji w peletkach deuterowo-trytowych. Do udowodnienia tego odkrycia wykorzystano czułe na neutrony jądrowe detektory emulsji, opracowane przez laureata Nagrody Nobla Roberta Hofstadtera z 1961 roku .

Postęp w zakresie poziomów mocy i energii osiąganych przez lasery bezwładnościowe znacznie wzrósł od wczesnych lat 70-tych.

Princeton Duży Torus (PLT), kontynuacja na tokamakiem do Symmetrical, przekroczyła najlepsze radzieckie maszyny i ustawić rekordy temperatury, które były wyższe, co było potrzebne do reaktora handlowej. Wkrótce po tym otrzymał finansowanie z celem progu rentowności.

W połowie lat 70. w ramach projektu PACER , realizowanego w LANL, zbadano możliwość wybuchu małych bomb wodorowych (bomb fuzyjnych) w podziemnej wnęce. :25 Jako źródło energii system był jedynym systemem, który mógł działać przy użyciu technologii tamtych czasów. Wymagało to jednak dużych, ciągłych dostaw bomb atomowych o wątpliwej ekonomii.

W 1976 r. w LLNL uruchomiono dwuwiązkowy laser Argus . W 1977 ukończono tam 20-wiązkowy laser Shiva, który był w stanie dostarczyć na cel 10,2 kilodżuli energii podczerwonej. Przy cenie 25 milionów dolarów i wielkości zbliżonej do boiska piłkarskiego Shiva był pierwszym megalaserem.

Na warsztatach w 1977 roku w hotelu Claremont w Berkeley dr C. Martin Stickley, ówczesny dyrektor Biura ds. Fuzji Inercyjnej Agencji Badań i Rozwoju Energetyki , twierdził, że na drodze do energii syntezy jądrowej nie ma „przebojów”.

DOE wybrany projekt Princeton Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) i wyzwanie działa na paliwa deuteru i trytu.

20-wiązkowy laser Shiva w LLNL był w stanie dostarczyć na cel 10,2 kilodżuli energii podczerwonej. Kosztujący 25 milionów dolarów i prawie pokrywający boisko piłkarskie, Shiva był pierwszym „megalaserem” w LLNL.

lata 80.

Lustra magnetyczne cierpiały na straty końcowe, wymagające dużej mocy, złożonych konstrukcji magnetycznych, takich jak cewka baseballowa przedstawiona tutaj.
Komora tarczy Novette (metalowa kula z wystającymi promieniście urządzeniami diagnostycznymi), która została ponownie wykorzystana z projektu Shiva , a w tle widoczne są dwa nowo zbudowane łańcuchy laserowe.
Inercyjna implozja termojądrowa w laserze Nova w latach 80. była kluczowym czynnikiem rozwoju syntezy jądrowej.

W niemiecko-amerykańskim badaniu HIBALL Garching wykorzystał wysoką częstotliwość powtarzania sterownika RF do obsługi czterech komór reaktora przy użyciu ciekłego litu wewnątrz komory komory. W 1982 roku w tokamakach odkryto tryb wysokiego utrzymywania ( tryb H).

Lustro magnetyczne

Stany Zjednoczone sfinansowały program zwierciadeł magnetycznych pod koniec lat 70. i na początku lat 80. XX wieku. Program ten zaowocował serią urządzeń zwierciadła magnetycznego, w tym: 2X, :273 Baseball I, Baseball II, Tandem Mirror Experiment and upgrade, Mirror Fusion Test Facility oraz MFTF-B. Maszyny te były budowane i testowane w LLNL od końca lat 60. do połowy lat 80. XX wieku. Ostateczna maszyna, MFTF, kosztowała 372 miliony dolarów i była w tamtym czasie najdroższym projektem w historii LLNL. Został otwarty 21 lutego 1986 roku i natychmiast zamknięty, rzekomo w celu zrównoważenia budżetu federalnego.

Laser

Postęp fuzji laserowej: w 1983 roku ukończono laser NOVETTE . W grudniu następnego roku ukończono dziesięciowiązkowy laser NOVA . Pięć lat później NOVA wyprodukowała 120 kilodżuli światła podczerwonego podczas impulsu nanosekundowego.

Badania koncentrowały się na szybkiej dostawie lub płynności wiązki. Obaj skupili się na zwiększeniu jednorodności energetycznej. Jednym z wczesnych problemów było to, że światło w podczerwieni traciło energię przed uderzeniem w paliwo. Przełomów dokonano w LLE na Uniwersytecie Rochester . Naukowcy z Rochester wykorzystali kryształy potrajające częstotliwość do przekształcenia podczerwonych wiązek laserowych w wiązki ultrafioletowe.

ćwierkanie

W 1985 roku Donna Strickland i Gérard Mourou wynaleźli metodę wzmacniania impulsów laserowych poprzez „ćwierkanie”. To zmieniło pojedynczą długość fali w pełne widmo. System wzmacniał wiązkę przy każdej długości fali, a następnie odwracał wiązkę na jeden kolor. Impulsowe wzmocnienie Chirp stało się kluczowe dla NIF i systemu Omega EP.

LANL zbudował szereg urządzeń laserowych. Były to Gemini (system dwóch wiązek), Helios (osiem wiązek), Antares (24 wiązki) i Aurora (96 wiązek). Program zakończył się na początku lat dziewięćdziesiątych kosztem rzędu miliarda dolarów.

W 1987 roku Akira Hasegawa zauważył, że w dipolarnym polu magnetycznym fluktuacje mają tendencję do ściskania plazmy bez utraty energii. Efekt ten został zauważony w danych pobranych przez Voyager 2 , gdy napotkał Urana . Ta obserwacja stała się podstawą dla podejścia fuzji znanego jako lewitujący dipol .

W tokamakach Tore Supra był budowany od 1983 do 1988 w Cadarache we Francji. Jego nadprzewodzące magnesy pozwoliły mu wytworzyć silne, trwałe, toroidalne pole magnetyczne. Pierwsza plazma pojawiła się w 1988 roku.

W 1983 r. firma JET uzyskała pierwszą plazmę. W 1985 roku japoński tokamak JT-60 wyprodukował swoją pierwszą plazmę. W 1988 roku ukończono budowę T-15, radzieckiego tokamaka, pierwszego, w którym zastosowano (chłodzone helem) magnesy nadprzewodzące .

W 1998 roku ukończono radziecki tokamak T-15 z nadprzewodnikowymi cewkami chłodzonymi helem.

Tokomak sferyczny

W 1984 roku Martin Peng zaproponował alternatywny układ cewek magnetycznych, który znacznie zmniejszyłby współczynnik kształtu, jednocześnie unikając problemów z erozją kompaktowego tokamaka: tokamaka sferycznego . Zamiast okablowania każdej cewki magnesu osobno, zaproponował użycie jednego dużego przewodnika pośrodku i okablowanie magnesów jako półpierścienie z tego przewodnika. To, co kiedyś było serią pojedynczych pierścieni przechodzących przez otwór w środku reaktora, zostało zredukowane do jednego słupka, co pozwoliło uzyskać współczynniki kształtu tak niskie, jak 1,2. :B247 :225 Koncepcja ST wydawała się reprezentować ogromny postęp w projektowaniu tokamaków. Propozycja pojawiła się w okresie, gdy amerykańskie budżety na badania nad syntezą jądrową były dramatycznie mniejsze. ORNL otrzymało fundusze na opracowanie odpowiedniej kolumny centralnej zbudowanej z wysokowytrzymałego stopu miedzi zwanego „Glidcop”. Jednak nie byli w stanie zapewnić funduszy na zbudowanie maszyny demonstracyjnej.

Nie mając w ORNL, Peng rozpoczął światowe wysiłki, aby zainteresować inne zespoły koncepcją i zbudować maszynę testową. Jednym z podejść jest przekształcenie sferomaka. :225 Obrona Penga przyciągnęła uwagę Dereka Robinsona z Brytyjskiego Urzędu Energii Atomowej . Robinson zebrał zespół i zabezpieczył około 100 000 funtów, aby zbudować eksperymentalną maszynę, mały tokamak o małych ciasnych proporcjach lub START. Części maszyny zostały poddane recyklingowi z wcześniejszych projektów, podczas gdy inne zostały wypożyczone z innych laboratoriów, w tym wtryskiwacz z wiązką neutralną 40 keV z ORNL. Budowę rozpoczęto w 1990, a eksploatację w styczniu 1991. :11 Osiągnięto rekord beta (ciśnienie plazmy w porównaniu do ciśnienia pola magnetycznego) 40% przy użyciu wtryskiwacza z wiązką neutralną

ITER

Powstaje koalicja Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termojądrowego ( ITER ), obejmująca EURATOM , Japonię, Związek Radziecki i Stany Zjednoczone, i rozpoczyna proces projektowania koncepcyjnego.

1990

Makieta pozłacanej hohlraum zaprojektowana do użytku w National Ignition Facility

W 1991 roku JET's Preliminary Tritium Experiment pozwoliło na pierwsze na świecie kontrolowane uwalnianie mocy termojądrowej.

W 1992 roku Physics Today opublikowało zarys obecnego stanu ICF autorstwa Roberta McCory'ego, opowiadając się za krajowym ośrodkiem zapłonu. Następnie w 1995 r. ukazał się artykuł przeglądowy Johna Lindla, który podał ten sam punkt. W tym czasie opracowano różne podsystemy ICF, w tym produkcję tarcz, systemy obsługi kriogenicznej, nowe projekty laserów (zwłaszcza laser NIKE w NRL ) oraz ulepszoną diagnostykę, w tym analizatory czasu przelotu i rozpraszanie Thomsona . Ta praca została wykonana w systemie laserowym NOVA , General Atomics , Laser Megajoule i systemie GEKKO XII w Japonii. Dzięki tej pracy i lobbingowi grup takich jak wspólnicy energii termojądrowej i John Sethian z NRL, Kongres zezwolił na finansowanie projektu NIF pod koniec lat dziewięćdziesiątych.

W 1992 roku Stany Zjednoczone i byłe republiki Związku Radzieckiego zaprzestały testowania broni jądrowej.

W 1993 roku TFTR w PPPL eksperymentował z 50% deuterem , 50% trytem , ostatecznie osiągając 10 megawatów.

Na początku lat dziewięćdziesiątych opublikowano prace teoretyczne i eksperymentalne dotyczące fuzorów i polywells . W odpowiedzi Todd Rider z MIT opracował ogólne modele tych urządzeń, argumentując, że wszystkie systemy plazmowe w równowadze termodynamicznej są zasadniczo ograniczone. W 1995 roku William Nevins opublikował krytykę, argumentując, że cząstki wewnątrz fuzorów i polywells nabierają momentu pędu , powodując degradację gęstego jądra.

W 1995 roku University of Wisconsin-Madison zbudował duży fusor , znany jako HOMER. Dr George H. Miley z Illinois zbudował mały fuzor, który wytwarzał neutrony przy użyciu deuteru i odkrył „ tryb gwiazdy ” działania fuzora. W tym czasie w Europie, Daimler-Chrysler i NSD Fusion opracowały urządzenie IEC jako komercyjne źródło neutronów .

W następnym roku Tore Supra osiągnęła rekordowy czas trwania plazmy wynoszący dwie minuty przy prądzie prawie 1 M amperów napędzanym bezindukcyjnie przez 2,3 MW fal hybrydowych o niższej częstotliwości (tj. 280 MJ wstrzykniętej i pobranej energii), dzięki aktywnie chłodzonej plazmie elementy licowe.

Zmodernizowana maszyna Z została udostępniona publicznie w sierpniu 1998 roku. Kluczowymi atrybutami były jej 18 milionów amperów prądu i czas rozładowania poniżej 100 nanosekund . Spowodowało to wygenerowanie impulsu magnetycznego wewnątrz dużego zbiornika oleju, który uderzył w wykładzinę (szereg drutów wolframowych ). Odpalanie maszyny Z stało się sposobem na przetestowanie warunków wysokiej energii i wysokiej temperatury (2 miliardy stopni). W 1996 roku.

W 1997 r. JET osiągnął 16,1 MW (65% ciepła do plazmy), utrzymując ponad 10 MW przez ponad 0,5 sekundy. Od 2020 r. pozostaje to rekordowy poziom produkcji. Osiągnięto cztery megawaty samonagrzewania cząstek alfa .

ITER został oficjalnie ogłoszony jako część siedmiostronnego konsorcjum (sześć krajów i UE). ITER został zaprojektowany do wytwarzania dziesięciokrotnie większej mocy termojądrowej niż moc wejściowa. ITER znajdował się w Cadarache. USA wycofały się z projektu w 1999 roku.

JT-60 wyprodukował plazmę z odwróconym ścinaniem o równoważnym współczynniku wzmocnienia fuzji wynoszącym 1,25 - od 2021 r. był to rekord świata.

Pod koniec lat dziewięćdziesiątych zespół z Columbia University i MIT opracował lewitujący dipol , urządzenie fuzyjne, które składało się z nadprzewodzącego elektromagnesu, unoszącego się w komorze próżniowej w kształcie spodka. Plazma wirowała wokół tego pączka i stapiała się wzdłuż środkowej osi.

W 1999 roku MAST zastąpił START .

2000s

Począwszy od 1999 r., coraz więcej amatorów było w stanie łączyć atomy za pomocą domowych fuzorów , pokazanych tutaj.
Mega Ampere Kulisty Tokamak rozpoczęła działalność w Wielkiej Brytanii w 1999 roku

„Szybki zapłon” pojawił się pod koniec lat dziewięćdziesiątych jako część inicjatywy LLE mającej na celu zbudowanie systemu Omega EP, która zakończyła się w 2008 roku. Szybki zapłon wykazał ogromne oszczędności energii i przeniósł ICF do wyścigu o produkcję energii. Obiekt eksperymentalny HiPER stał się dedykowany do szybkiego zapłonu.

W 2001 r. do ITER dołączyły Stany Zjednoczone, Chiny i Republika Korei, natomiast Kanada się wycofała.

W kwietniu 2005 roku zespół UCLA ogłosił sposób wytwarzania syntezy jądrowej za pomocą maszyny, która „mieści się na stole laboratoryjnym”, wykorzystując tantalian litu do wytworzenia wystarczającego napięcia do stopienia deuteru . Proces nie generował mocy netto.

W następnym roku ukończono chiński reaktor testowy EAST . Był to pierwszy tokamak, w którym zastosowano magnesy nadprzewodzące do generowania pól toroidalnych i poloidalnych.

Na początku XXI wieku naukowcy z LANL twierdzili, że oscylująca plazma może osiągnąć lokalną równowagę termodynamiczną. To skłoniło do projektowania pułapek POPS i Penninga .

W 2005 roku NIF wystrzelił swoją pierwszą wiązkę ośmiu wiązek, osiągając najpotężniejszy do tej pory impuls laserowy - 152,8 kJ (podczerwień).

Naukowcy z MIT zainteresowali się fuzorami do napędu kosmicznego, wykorzystując fuzory z wieloma wewnętrznymi klatkami. Greg Piefer założył Phoenix Nuclear Labs i opracował fusor w źródło neutronów do produkcji izotopów medycznych . Robert Bussard zaczął otwarcie mówić o polywell w 2006 roku.

W marcu 2009 r. NIF rozpoczął działalność.

Na początku 2000 roku prywatne firmy termojądrowe zaczęły rozwijać komercyjną energię termojądrową. Tri Alpha Energy , założona w 1998 roku, rozpoczęła od zbadania podejścia do konfiguracji odwróconej w terenie . W 2002 roku kanadyjska firma General Fusion rozpoczęła eksperymenty weryfikacyjne oparte na hybrydowym podejściu magneto-inercyjnym zwanym Magnetized Target Fusion. Inwestorami byli Jeff Bezos (General Fusion) i Paul Allen (Tri Alpha Energy). Pod koniec dekady firma Tokamak Energy zaczęła badać sferyczne urządzenia tokamakowe za pomocą ponownego połączenia.

2010s

Przedwzmacniacze National Ignition Facility. W 2012 r. NIF osiągnął strzał o mocy 500 terawatów.
Wendelstein7X w budowie
Przykład konstrukcji stellaratora: Układ cewek (niebieski) otacza plazmę (żółty). Linia pola magnetycznego jest podświetlona na zielono na żółtej powierzchni plazmy.

Badania prywatne i publiczne przyspieszyły w latach 2010-tych.

Projekty prywatne

General Fusion opracował technologię wtryskiwacza plazmowego, a Tri Alpha Energy skonstruował i obsługiwał urządzenie C-2U. W sierpniu 2014 roku w Phoenix Labs jądrowe ogłosił sprzedaż generatora neutronów o wysokiej wydajności, które mogłyby podtrzymać 5 × 10 11 deuteru reakcje syntezy na sekundę w okresie 24-godzinnym.

W październiku 2014 r. firma Lockheed Martin 's Skunk Works ogłosiła opracowanie reaktora termojądrowego o wysokim poziomie beta , Compact Fusion Reactor . Chociaż pierwotną koncepcją było zbudowanie 20-tonowej jednostki wielkości kontenera, zespół przyznał w 2018 r., że minimalna skala wyniesie 2000 ton.

W styczniu 2015 polywell został zaprezentowany na Microsoft Research . TAE Technologies ogłosiło, że jej reaktor Norman osiągnął plazmę.

W 2017 roku uruchomiono maszynę plazmową piątej generacji firmy Helion Energy , której celem było osiągnięcie gęstości plazmy 20 T i temperatury fuzji. ST40 generował „pierwszą plazmę”.

W 2018 roku Eni ogłosiła inwestycję 50 milionów dolarów w Commonwealth Fusion Systems , aby spróbować skomercjalizować technologię ARC przy użyciu reaktora testowego ( SPRC ) we współpracy z MIT. W reaktorze planowano zastosować technologię wysokotemperaturowego magnesu nadprzewodzącego z tlenkiem itru i baru miedzi (YBCO).

General Fusion rozpoczęło opracowywanie systemu demonstracyjnego w skali 70%. Reaktor TAE Technologies osiągnął prawie 20 M°C.

Projekty rządowe i akademickie

W 2010 r. naukowcy NIF przeprowadzili serię ujęć „dostrajających” w celu określenia optymalnego projektu celu i parametrów lasera do eksperymentów z zapłonem wysokoenergetycznym z paliwem fuzyjnym. Zysk energetyczny netto został osiągnięty w sierpniu 2013 r.

W kwietniu 2014 r. LLNL zakończyło program Laser Inertial Fusion Energy (LIFE) i skierowało swoje wysiłki na NIF.

Artykuł z 2012 r. wykazał, że gęste ognisko plazmy osiągnęło temperaturę 1,8 miliarda stopni Celsjusza, wystarczającą do fuzji boru , i że reakcje fuzji zachodziły głównie w obrębie zawartego plazmoidu, niezbędnego do uzyskania mocy netto.

W sierpniu 2014 r. MIT ogłosiło tokamak, który nazwał reaktorem syntezy jądrowej ARC , wykorzystując taśmy nadprzewodzące z tlenku baru i miedzi (REBCO) z ziem rzadkich do budowy cewek o wysokim polu magnetycznym, które, jak twierdzi, wytwarzały porównywalne natężenie pola magnetycznego w mniejszej konfiguracji niż inne konstrukcje .

W październiku naukowcy z Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka ukończyli budowę największego do tej pory stellaratora , Wendelsteina 7-X . W grudniu wyprodukowali pierwszą plazmę helową, a w lutym 2016 plazmę wodorową. Przy wyładowaniach plazmowych trwających do 30 minut, Wendelstein 7-X próbował zademonstrować podstawową cechę stellaratora: ciągłe działanie plazmy wysokotemperaturowej.

W 2019 r. Wielka Brytania ogłosiła planowaną inwestycję o wartości 200 mln funtów (248 mln USD) w celu opracowania projektu obiektu syntezy jądrowej o nazwie Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) do początku lat 40. XX wieku.

W 2014 roku EAST osiągnął rekordowy czas utrzymywania plazmy wynoszący 30 sekund w trybie wysokiego utrzymywania ( tryb H), dzięki ulepszonemu rozpraszaniu ciepła. Była to poprawa o rząd wielkości w porównaniu z innymi reaktorami. W 2017 r. reaktor osiągnął stabilną plazmę o wysokim utrzymywaniu, trwającą 101,2 sekundy, ustanawiając światowy rekord w długoimpulsowej pracy w trybie H.

W 2018 roku naukowcy z MIT opracowali teoretyczne sposoby usuwania nadmiaru ciepła z kompaktowych reaktorów syntezy jądrowej za pomocą większych i dłuższych dywertorów .

2020s

W 2020 roku Chevron Corporation ogłosiła inwestycję w start-up Zap Energy. W 2021 roku firma pozyskała 27,5 miliona dolarów w ramach finansowania serii B kierowanego przez Addition.

US DOE uruchomiło program INFUSE, publiczno-prywatną inicjatywę wymiany wiedzy obejmującą PPPL, MIT Plasma Science and Fusion Center oraz Commonwealth Fusion Systems, wraz z partnerstwami z TAE Technologies, Princeton Fusion Systems i Tokamak Energy. W 2021 r. Komitet Doradczy ds. Energii Fuzyjnej DOE zatwierdził strategiczny plan prowadzenia badań nad energią syntezy jądrowej i fizyką plazmy, który obejmował działającą elektrownię do 2040 r., podobnie jak w przypadku Kanady, Chin i Wielkiej Brytanii.

W styczniu 2021 r. firma SuperOx ogłosiła komercjalizację nowego drutu nadprzewodzącego o wydajności prądowej przekraczającej 700 A/mm2.

Firma TAE Technologies ogłosiła, że ​​jej urządzenie Norman wytrzymywało temperaturę około 60 milionów stopni C przez 30 milisekund, odpowiednio 8 i 10 razy wyższą niż poprzednie urządzenia firmy. Twierdzono, że czas trwania jest ograniczony przez zasilacz, a nie przez urządzenie.

Chiński eksperymentalny syntezy jądrowej reaktor HL-2M osiąga pierwszy wyładowania plazmowego. W 2021 roku EAST ustanowił nowy rekord świata dla przegrzanej plazmy, utrzymując temperaturę 120 M°C przez 101 sekund i szczyt 160 M°C przez 20 sekund.

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia

Zewnętrzne linki