Alcator C Modu - Alcator C-Mod
 MIT Plazma Bilim ve Füzyon Merkezinde Alcator C-Mod tokamak deneyi. Cihazın kendisini (beton koruma altında) ve çevredeki bölmede tanılamayı gösteren genel bakış.
| |
| Cihaz tipi | Tokamak |
|---|---|
| Konum | Cambridge , Massachusetts , ABD |
| Üyelik | MIT Plazma Bilim ve Füzyon Merkezi |
| Teknik özellikler | |
| ana yarıçap | 0,68 m (2 ft 3 inç) |
| küçük yarıçap | 0,22 m (8,7 inç) |
| plazma hacmi | 1 m 3 |
| Manyetik alan | 3–8 T (30.000–80.000 G) (toroidal) |
| plazma akımı | 0,4–2,0 MA (tipik) |
| Tarih | |
| Operasyon Yıl(lar)ı | 1991–2016 |
| Öncesinde | Alcator C |
Alcator C-Mod bir oldu TOKAMAK (bir tür manyetik olarak hapsedilmiş füzyon 1991 ve 2016 yılları arasında işletilen cihazın) Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (MIT) Plazma Bilimi ve Fusion Merkezi (PSFC). Yüksek toroidal manyetik alanı (8 Tesla'ya kadar) ile dikkat çeken Alcator C-Mod, manyetik olarak sınırlı bir füzyon cihazında hacim ortalamalı plazma basıncı için dünya rekorunu elinde tutuyor. 2016 yılında kapatılıncaya kadar, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki en büyük füzyon araştırma tesislerinden biriydi.
Alcator Cı-Mod Alcator (üçüncü olduğu Al için Ca MPO Tor o Alcator A (1973-1979) ve Alcator B (1978-1987), aşağıdaki, yüksek alan torus) Tokamak serisi. Herhangi bir üniversite tarafından işletilen en büyük füzyon reaktörüydü ve daha büyük Plazma Bilim ve Füzyon Merkezi'nin ayrılmaz bir parçasıydı.
Tarih
Alcator A
1960'ların sonlarında, MIT'de, Elektronik Araştırma Laboratuvarı ve Francis Bitter Mıknatıs Laboratuvarı'nda küçük ölçekli "masa üstü" deneyler üzerinde manyetik sınırlı füzyon araştırması yapıldı . Şu anda, Sovyetler Birliği bir tokamak geliştiriyordu (bu Amerika Birleşik Devletleri'nde bilinmese de) ve Princeton Plazma Fizik Laboratuvarı (PPPL) stellarator'ı geliştiriyordu .
Bruno Coppi , Princeton, New Jersey'deki İleri Araştırma Enstitüsü'nde çalışıyordu ve akış parametresinin yüksek değerlerinde plazma özdirencinin temel plazma fiziği sorunuyla ve ayrıca çok yüksek alan kuvvetlerinde manyetik olarak sınırlandırılmış plazmaların davranışıyla ilgileniyordu ( ≥ 10T). 1968'de Coppi , Novosibirsk'teki üçüncü IAEA Uluslararası Plazma Fiziği ve Kontrollü Nükleer Füzyon Araştırmaları Konferansına katıldı . Bu konferansta Sovyet bilim adamları, bir tokamak cihazında ( T-3 ) 1000 eV'nin üzerinde elektron sıcaklıklarına ulaştıklarını açıkladılar .
Aynı yıl, Coppi, MIT Fizik Bölümü'nde tam profesör olarak seçildi . Hemen Bruce Montgomery liderliğindeki Francis Bitter Magnet Laboratuvarı'ndaki mühendislerle, Alcator adını verdiği kompakt (0,54 m ana yarıçap), yüksek alan (eksen üzerinde 10 T) tokamak tasarlamak için işbirliği yaptı . Adı bir olduğunu kısaltması İtalyan Al için Ca mpo Tor o , araçlar "yüksek alan yumru". Alcator C ve ardından Alcator C-Mod'un daha sonra inşa edilmesiyle, orijinal Alcator geriye dönük olarak Alcator A olarak yeniden adlandırıldı .
Alcator 1970 yılında Atom Enerjisi Komisyonu (AEC) tarafından onaylandı ve ilk olarak 1972'de çalıştırıldı. Performans sorunları (düşük kaliteli vakum ve toroidal alan mıknatıslarında ark oluşumu), makinenin 1973–1974'te yeni bir vakum kabı ile yeniden inşasına yol açtı. , 1974'te başlayan bilimsel sonuçlarla. Alcator A, Bitter Laboratuvarı'nın 32 MW DC motor jeneratörleri tarafından desteklendi ve omik akım tahriki ve ısıtma için bir hava çekirdekli transformatör kullanan dünyadaki ilk tokamak oldu.
Alcator B ve C
Alcator A'nın başarısı, 1975'te başlayan, Alcator B adlı daha büyük bir makinenin kavramsal tasarımına yol açtı. Ancak, Alcator A için kullanılan motor-jeneratörler, yeni makineyi çalıştıracak kadar güçlü değildi, bu nedenle yeni makinelerin satın alınmasını ve kurulmasını gerektirdi. Güç kaynakları, Enerji Araştırma ve Geliştirme İdaresi'nin (ERDA) finanse etmek istemediği bir maliyetti . Ancak ERDA, başka bir Alcator inşa etme konusunda hevesliydi ve bir çözüm bulundu: Con Ed tarafından New York City'deki East River'daki bir tesisten MIT'ye 225 MVA'lık bir alternatör bağışlandı . Kavramsal tasarım, farklı güç kaynaklarını barındıracak şekilde değiştirildi ve projenin adı Alcator C olarak değiştirildi.
Alcator C, 1976'da resmi olarak yetkilendirildi. Aynı yıl, Plazma Füzyon Merkezi (şimdi Plazma Bilim ve Füzyon Merkezi), Francis Bitter Magnet Laboratuvarı'ndan ayrıldı. Alcator C'nin inşaatı hızla ilerledi ve ilk testler 1977'nin sonunda yapıldı. Alternatör 1978'in başlarında Con Ed'den geldi (taşınması 1978'deki kar fırtınası nedeniyle karmaşıktı ) ve 1978 yazında sisteme dahil edildi. operasyonlar o yılın Eylül ayında başladı.
Alcator C daha büyük bir makineydi ( R 0 = 0.64 m) ve Alcator A'dan daha yüksek bir alanda ( B 0 ≤ 13 T) çalıştırıldı . 1982'de 4 MW daha düşük hibrit ısıtmanın eklenmesiyle, 3.0 keV'in üzerindeki elektron sıcaklıklarına ulaşıldı. . Alcator C, yüksek değerlerinde iyon sıcaklığı gradyan türbülansının başlaması nedeniyle başlangıçta beklenen enerji sınırlama süresine sahip olmasa da, pik yoğunluk profillerini ve n τ ürününün 0,8 × 10 20 s'nin üzerindeki değerlerini üretmek için pelet yakıtı kullanıldı. ·m -3 1983'te elde edildi.
Finanse edilmeyen fikirler ve C-Mod teklifi
PSFC'deki yeni cihazlar ve yükseltmeler için çeşitli fikirler hiçbir zaman finanse edilmedi. 1978'den 1980'e kadar, Alcator C'nin daha büyük bir versiyonu olan ve daha fazla ısıtma gücüne ve hatta muhtemelen döteryum-trityum (D-T) çalışmasına izin verecek olan Alcator D için bir tasarım faaliyeti gerçekleştirildi. Bu tasarım resmen önerdi asla Enerji Bakanlığı (DOE), ama sonunda İtalyan-Rus haline Coppi yönlendirmesi altında gelişmeye devam ignitörün yapım için planlanan cihaz TRINITY yakın Troitsk , Rusya.
1982'de Alcator DCT adlı daha iddialı bir cihaz tasarlandı. Bu makine, eksende 7 T üreten süper iletken bobinlere sahip olacaktır. 4 MW'lık daha düşük hibrit akım sürücüsü, 1,4 MA plazma akımı ile sabit durumlu bir plazmayı çalıştıracaktır. Bu tasarım Fransız Tore Supra'ya benzediğinden , iki tasarımı karşılaştırmak ve fikir alışverişinde bulunmak için 1983'te Cadarache'de ortak bir Fransız-Amerikan çalıştayı düzenlendi . Alcator DCT, 1983 sonlarında DOE'ye resmen önerildi, ancak finanse edilmedi.
O zamanlar, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki manyetik füzyon enerjisi araştırma bütçesi yıldan yıla artıyordu ve 1984 mali yılında 468,4 milyon dolara ulaştı. O yıl, PSFC'ye bir süre için bütçelerin düşeceği bildirildi. ve DOE politikası, yeni makinelere değil, yalnızca mevcut cihazlara yönelik yükseltmeleri finanse etmek olacaktır. Böylece, Alcator C'nin güç kaynaklarının bir kısmını yeniden kullanacak ve ekibin onu Alcator C'ye "değişiklik" olarak sunmasına izin verecek bir bakır bobin makinesi üzerinde tasarım çalışması başlatıldı. Kavramsal tasarım tamamlandı ve Alcator C-Mod kuruldu. 1985 sonlarında DOE'ye resmen teklif edildi. Proje onaylandı ve 1986'da inşaata izin verildi.
özellikleri
Isıtma ve akım sürücüsü
Alcator C-Mod , birincil yardımcı ısıtma kaynağı olarak iyon siklotron aralık frekansları (ICRF) ısıtmasını kullanır . Kaynak frekansı 80 MHz'dir ve standart azınlık ısıtma senaryoları 4,4–6,9 T için D(H) ve yüksek saha çalışması (7,3–8,0 T) için D(3He)'dir. Bir azınlık türü (Hidrojen veya He3) belirtilir ve ICRH senaryoları iki bileşenli bir plazma kullanır.
Absorpsiyon verimliliği, azınlık konsantrasyonuna göre değişir. Azınlık türlerinin konsantrasyonunu değiştirerek azınlık ve mod dönüştürme (MC) ısıtması arasında geçiş yapmak da mümkündür. Göreceli H fraksiyonu , gaz şişirme yoluyla kabaca %2-30'dan taranabilir ve pasif yük değişimi kullanılarak ölçülebilir. Göreceli He3 fraksiyon konsantrasyonu da gaz şişirme yoluyla kabaca % 2-30'dan taranabilir. Faz kontrast görüntüleme (PCI), mod dönüştürülmüş dalgaları doğrudan plazmada ölçmek için kullanılabilir.
azınlık ısıtma
Azınlık ısıtması, C-Mod'da kullanılan en yaygın senaryodur. ICRF ısıtma sistemi, D(H) plazmalarında 80 MHz'de çalışır. Bu frekans, protonların 5.3 T'de eksen üzerinde azınlık temel siklotron rezonansına ve bir döteryum plazmasındaki hidrojen azınlık türleri tarafından hızlı dalgaları emmesine karşılık gelir. Çok verimli olabilir (C-Mod'da tipik tek geçişli absorpsiyon %5-10'luk azınlık konsantrasyonları için %80-90'dır). Bir döteryum çoğunluk plazmasında 80 MHz ve 7,9 T'de azınlık ısıtması, He3 azınlık rezonansı (eksen üzerinde) kullanılarak elde edilir, ancak döteryumda He3 azınlık iyonları ile tek geçişli absorpsiyon, protonlardan çok daha düşük olma eğilimindedir (örneğin azınlık ısıtma senaryosu). 5,3–5,4 T'de).
Mod dönüştürme ısıtma
Hızlı bir manyetosonik dalganın bir iyon siklotron dalgasına mod dönüşümü ve iyon siklotron frekans aralığında (ICRF) iyon Bernstein dalgası elektronları ısıtmak için kullanılabilir. Mod dönüştürme ısıtması, D(3He) plazmalarında ICRF kullanılarak C-Mod'da yapılır.
Daha düşük hibrit akım sürücüsü
Düşük hibrit akım sürücüsü (LHCD) ( Düşük hibrit salınımına dayalı ) Ohmik transformatör tarafından sürülen akımı desteklemek için kullanılır . LHCD sistemi, 4.6 GHz'de plazmaya 1.0+ MW mikrodalga gücü (2013'te ikinci bir antenin eklenmesiyle 2 MW veya daha fazlasına planlı yükseltme) sağlama yeteneğine sahiptir . Güç, CPI, Inc. tarafından üretilen 250 kW klistron mikrodalga amplifikatörler tarafından sağlanır. 500 kA'da 0,5 s'ye kadar darbeler için endüktif olmayan çalışma sağlandı. Daha düşük hibrit dalgalar tercihen plazma akımının tersi yönde (yani elektron hareketi yönünde) başlatılır ve Landau sönümlemesi yoluyla termal hızın yaklaşık üç katı hızla hareket eden elektronlar üzerinde enerji biriktirir . LHCD araştırmasının önemli bir alanı, bir füzyon santrali için gerekli olan yüksek yoğunluklarda (n e > 10 20 m -3 ) akım tahriki alanında olmuştur .
2013-2016: Nihai işlemler ve kapatma
Alcator C-Mod'un Ekim 2013'te kapatılması planlanıyordu. Ancak, 2014 Kongre çok amaçlı harcama faturası, deneyin işleyişini açıkça belirterek 22 milyon dolar sağladı. Deneysel operasyon Şubat 2014'te yeniden başlatıldı.
Finansman bir kez daha 2015 mali yılı için uzatıldı, ancak finansmanı sağlayan torba yasada 2016 mali yılının ötesinde herhangi bir finansman sağlanmayacağı açıkça belirtildi.
2016'da Alcator C-Mod, manyetik olarak sınırlandırılmış bir füzyon cihazında plazma basıncı için bir dünya rekoru kırdı ve 2,05 atmosfere ulaştı - önceki 1,77 atmosferlik rekorun (ayrıca Alcator C-Mod tarafından tutulan) yüzde 15'lik bir sıçrama. Bu rekor plazma 35 milyon derece C sıcaklığa sahipti, 2 saniye sürdü ve 600 trilyon füzyon reaksiyonu verdi. Çalışma, 5.7 tesla'lık bir toroidal manyetik alanla çalışmayı içeriyordu. Son operasyon gününde bu dönüm noktasına ulaştı.
Eylül 2016 sonunda operasyonların tamamlanmasının ardından, tesis şu anda planlanmış herhangi bir ek deney olmadan güvenli kapatmaya alındı. 20 yılı aşkın operasyonlardan arşivlenen çok sayıda veri var ve deneysel ve teorik ekipler sonuçları analiz etmeye ve bilimsel literatürde yayınlamaya devam ediyor.
2.05 atmosferlik Alcator C-Mod plazma basıncı kaydı muhtemelen bir süre daha geçerli olacaktır. Şu anda yapım aşamasında olan ve bu rekoru kırması öngörülen tek makine , Fransa'daki ITER tokamak. ITER'in 2032 yılına kadar tam olarak faaliyete geçmesi beklenmiyor, yani Alcator C-Mod'un kaydı, daha önce başka bir yeni cihaz inşa edilmedikçe 15 yıl boyunca devam edecek.
Referanslar
Kaynaklar
- "Bir Alcator Chronicle veya: Alcator B'ye Ne Oldu?" R. Parker, IAP 2011'deki sunum. MIT PSFC kütüphanesinde çevrimiçi olarak mevcuttur
- Bonoli et al. Fizik Plazmalar, Cilt. 7, Sayı 5, Mayıs 2000