Krajowy Eksperyment Kompaktowy Stellarator — National Compact Stellarator Experiment

Rysunek projektowy NCSX

Narodowy Eksperyment Compact stellaratora , NCSX w skrócie, była fuzja magnetyczna energia eksperyment oparty na Stellarator projektu budowany w Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).

NCSX był jednym z wielu nowych projektów stellaratorów z lat 90., które powstały po badaniach ilustrujących nowe geometrie, które oferowały lepszą wydajność niż prostsze maszyny z lat 50. i 60. XX wieku. W porównaniu do bardziej powszechnych tokamaków , były one znacznie trudniejsze do zaprojektowania i zbudowania, ale produkowały znacznie stabilniejszą plazmę, co było głównym problemem udanej fuzji.

Projekt okazał się zbyt trudny do zbudowania, wielokrotnie przekraczając jego budżet i ramy czasowe. Projekt został ostatecznie anulowany 22 maja 2008 r., po wydaniu ponad 70 mln USD.

Wendelstein 7-X bada wiele z tych samych koncepcji, co NCSX.

Historia

Wczesne stellaratory

Stellarator to jedna z pierwszych koncepcji zasilania syntezy jądrowej , pierwotnie zaprojektowana przez astrofizyka z Princeton Lymana Spitzera w 1952 roku podczas jazdy wyciągami krzesełkowymi w Aspen . Spitzer, biorąc pod uwagę ruch plazmy w gwiazdach, zdał sobie sprawę, że jakikolwiek prosty układ magnesów nie ograniczy plazmy wewnątrz maszyny – plazma będzie dryfować przez pola i ostatecznie uderzyć w statek. Jego rozwiązanie było proste; wyginając maszynę o 180 stopni, tworząc ósemkę zamiast pączka, plazma na przemian znajdowałaby się wewnątrz lub na zewnątrz naczynia, dryfując w przeciwnych kierunkach. Zlikwidowanie dryftu netto nie byłoby idealne, ale na papierze okazało się, że opóźnienie tempa dryfu było więcej niż wystarczające, aby umożliwić plazmie osiągnięcie warunków fuzji.

W praktyce okazało się, że tak nie jest. Problemem obserwowanym we wszystkich projektach reaktorów termojądrowych tamtych czasów było to, że jony plazmy dryfowały znacznie szybciej niż przewidywała klasyczna teoria, setki, a nawet tysiące razy szybciej. Projekty, które sugerowały stabilność rzędu sekund, zamieniły się w maszyny, które były stabilne przez co najwyżej mikrosekundy. W połowie lat sześćdziesiątych całe pole energii syntezy jądrowej wydawało się nieruchome. Dopiero wprowadzenie projektu tokamaka w 1968 roku uratowało pole; Maszyny radzieckie spisywały się co najmniej o rząd wielkości lepiej niż konstrukcje zachodnie, choć nadal daleko im do praktycznych wartości. Ulepszenie było tak radykalne, że prace nad innymi projektami w dużej mierze zakończyły się, gdy zespoły na całym świecie zaczęły studiować podejście tokamakowe. Obejmowały one najnowsze projekty stellaratorów; model C dopiero ostatnio zaczęło operacji, i szybko przekształca się w tokamakiem symetryczny.

Pod koniec lat 80. stało się jasne, że chociaż tokamak był wielkim krokiem naprzód, wprowadzał również nowe problemy. W szczególności prąd plazmowy używany przez tokamak do stabilizacji i ogrzewania sam w sobie był źródłem niestabilności w miarę wzrostu prądu. Większość kolejnych 30 lat rozwoju tokamaka koncentrowała się na sposobach zwiększenia tego prądu do poziomów wymaganych do utrzymania użytecznej fuzji, przy jednoczesnym zapewnieniu, że ten sam prąd nie spowoduje rozpadu plazmy.

Kompaktowe stellaratory

Gdy rozmiar problemu z tokamakiem stał się oczywisty, zespoły zajmujące się fuzją na całym świecie zaczęły na nowo patrzeć na inne koncepcje projektowe. Wśród wielu pomysłów odnotowanych podczas tego procesu, w szczególności stellarator wydawał się mieć wiele potencjalnych zmian, które znacznie poprawiłyby jego wydajność.

Podstawową ideą stellaratora było wykorzystanie układu magnesów w celu wyeliminowania szybkiego dryfu, ale proste konstrukcje z lat 50. nie robiły tego w wymaganym stopniu. Większym problemem były niestabilności i efekty kolizyjne, które znacznie zwiększyły szybkość dyfuzji. W latach 80. zauważono, że jednym ze sposobów poprawy wydajności tokamaka było użycie niekołowych przekrojów w obszarze utrzymywania plazmy; Jony poruszające się w tych niejednorodnych obszarach mieszałyby się i rozbijały powstawanie niestabilności na dużą skalę. Zastosowanie tej samej logiki do stellaratora wydawało się oferować te same korzyści. Jednak ponieważ stellarator nie miał prądu plazmowego lub obniżał go, plazma byłaby bardziej stabilna od samego początku.

Biorąc pod uwagę układ magnesów potrzebny do osiągnięcia obu celów, skręconą ścieżkę wokół obwodu urządzenia, a także wiele mniejszych skrętów i miksów po drodze, projekt staje się niezwykle złożony, znacznie wykraczający poza możliwości konwencjonalnych narzędzi projektowych. Dopiero dzięki zastosowaniu masowo równoległych komputerów można było dogłębnie zbadać projekty i stworzyć odpowiednie projekty magnesów. Rezultatem było bardzo kompaktowe urządzenie, znacznie mniejsze na zewnątrz niż klasyczna konstrukcja dla dowolnej objętości plazmy, o niskim współczynniku kształtu . Niższe współczynniki kształtu są wysoce pożądane, ponieważ pozwalają na zmniejszenie maszyny o dowolnej mocy, co obniża koszty budowy.

Pod koniec lat 90. badania nad nowymi projektami stellaratorów osiągnęły odpowiedni punkt do budowy maszyny wykorzystującej te koncepcje. W porównaniu do stellaratorów z lat sześćdziesiątych, nowe maszyny mogły wykorzystywać magnesy nadprzewodzące dla znacznie większych sił pola, być tylko nieco większe niż Model C, ale mieć znacznie większą objętość plazmy i mieć wewnątrz obszar plazmy, który wahał się od kołowego do płaskiego i z powrotem podczas kilkukrotnego skręcania.

Projekt NCSX

Cewki modułowe i przewidywany kształt plazmy
Szczegóły dotyczące plazmy
  • Główny promień: 1,4m, Format obrazu: 4,4,
  • Pole magnetyczne: 1,2 T - 1,7 T (do 2 T na osi przez 0,2 s)
  • pole quasi-osiowe, łącznie 3 okresy pola. Ma na celu beta > 0,04.
Cewki magnetyczne
  • 18 cewek modularnych (po 6 typów A, B, C) z drutu miedzianego nawojowego, chłodzonego ciekłym azotem (LN2),
  • 18 cewek toroidalnych, lita miedź chłodzona LN2,
  • 6 par cewek poloidalnych, lita miedź chłodzona LN2,
  • 48 cewek wykończenia.


18 cewek modułowych ma skomplikowany kształt 3D, ~9 różnych krzywych w różnych płaszczyznach. Niektóre cewki potrzebowałyby 15 minut na ponowne schłodzenie pomiędzy przebiegami plazmy o wysokiej I 2 t.

Ogrzewanie plazmowe
Ponieważ stellarator nie ma prądu plazmowego tokamaka jako formy ogrzewania, nagrzewanie plazmy odbywa się za pomocą urządzeń zewnętrznych. Do 12 MW zewnętrznej mocy grzewczej byłoby dostępne dla komory NCSX, składającej się z 6 MW z stycznego wtrysku wiązki neutralnej i 6 MW z ogrzewania o częstotliwości radiowej (RF) (zasadniczo kuchenka mikrofalowa ). W przyszłych iteracjach projektu dostępne byłoby również ogrzewanie cyklotronu elektronowego o mocy do 3 MW .

Bazowy całkowity koszt projektu w wysokości 102 mln USD z datą zakończenia w lipcu 2009 r.

Pierwsze kontrakty zawarte w 2004 roku.

Konstrukcja NCSX

Budowa cewki modułowej dla NCSX

Gdy projekt został w dużej mierze ukończony, PPPL rozpoczęło proces budowy takiej maszyny, NCSX, która testowałaby wszystkie te koncepcje. W projekcie wykorzystano osiemnaście skomplikowanych ręcznie nakręcanych magnesów, które następnie musiały zostać złożone w maszynę, w której maksymalne odchylenie od idealnego umieszczenia nie przekraczało 1,5 milimetra (0,059 cala) w całym urządzeniu. Otaczający to wszystko naczynie próżniowe było również bardzo złożone, z dodatkową komplikacją związaną z przenoszeniem całego okablowania do zasilania magnesów.

Tolerancje montażowe były bardzo wąskie i wymagały użycia najnowocześniejszych systemów metrologicznych , w tym Laser Tracker i sprzętu fotogrametrycznego . Potrzebne było dodatkowe finansowanie w wysokości 50 milionów dolarów, rozłożone na następne 3 lata, aby ukończyć montaż z zachowaniem tolerancji. Komponenty Stellaratora zostały zmierzone za pomocą skanowania laserowego 3D i sprawdzone w celu zaprojektowania modeli na wielu etapach procesu produkcyjnego.

Nie można było osiągnąć wymaganych tolerancji; Gdy moduły zostały zmontowane, okazało się, że części stykają się ze sobą, zwisają po zainstalowaniu, a inne nieoczekiwane efekty bardzo utrudniały wyrównanie. W projekcie wprowadzono poprawki, ale każda z nich dodatkowo opóźniała ukończenie i wymagała większych nakładów finansowych. (Szacowany koszt na 2008 r. wyniósł 170 mln USD z planowanym zakończeniem w sierpniu 2013 r.) W końcu nałożono warunek „go/no-go”, a gdy cel nie został osiągnięty w budżecie, projekt został anulowany.

Dziedzictwo

Ze względu na jego anulowanie w 2008 r. projekt został przytoczony jako studium przypadku hipotetycznego demona biurokratycznego chaosu, który „blokuje dobre rzeczy” w Departamencie Energii Stanów Zjednoczonych . Jego los przypomina inne projekty Departamentu Energii, takie jak zbudowany, ale nigdy nie używany obiekt testowy Mirror Fusion oraz Superconducting Super Collider , który kosztował 2 miliardy dolarów przed jego anulowaniem.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne