도카막 핵융합 실험로

Tokamak Fusion Test Reactor
TFTR
도카막 핵융합 실험로
TFTR 1989.jpg
1989년 TFTR
디바이스 타입토카막
위치프린스턴, 뉴저지, 미국
제휴프린스턴 플라즈마 물리학 연구소
기술사양
장반경2.52m(8피트 3인치)
마이너 반지름0.87m(2피트 10인치)
자기장6.0 T (60,000 G) (트로이덜)
난방 전력51 MW
플라즈마 전류3 MA
역사
운용년도1982–1997
선행프린스턴 대형 토러스(PLT)
에 의해 성공자국립 구상 토러스 실험(NSTX)
관련 장치JT-60

TFTR(Tokamak Fusion Test Reactor)는 1980년경 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)에서 건설되어 1982년에 가동되기 시작한 실험용 토카막이다.TFTR은 플라즈마 내 핵융합 반응에서 방출되는 열이 플라즈마를 [1][2]가열하기 위해 외부 장치에 의해 플라즈마에 공급되는 열과 같거나 더 큰 지점에 도달하는 것을 목표로 설계되었습니다.

TFTR은 이 목표를 달성하지는 못했지만 감금 시간과 에너지 밀도에 있어 큰 발전을 가져왔다.세계 최초로 50/50 중수소/삼중수소(D-T)로 구성된 플라즈마로 광범위한 과학실험을 한 자석융합소자이며, 실제 핵융합 발전에서 필요한 연료 혼합체이며, 10MW 이상의 핵융합 전력을 생산한 최초의 자석융합소자이기도 하다.전력 출력, 최대 온도, 융접 삼중곱에 대한 여러 기록을 세웠습니다.

TFTR은 15년간의 운영 끝에 1997년에 폐쇄되었다.PPPL은 TFTR의 지식을 사용하여 국립 구상 토러스 실험에서 또 다른 접근법인 구상 토카막 연구를 시작했습니다.일본의 JT-60은 TFTR과 매우 유사하며, 둘 다 요시카와 쇼이치(1934-2010[3])가 1970년대 PPPL에서 도입한 주요 혁신에 따라 설계되었다.

일반

핵융합에는 핵융합이 수행될 정도로 안정적인 두 가지 유형의 원자로가 있다: 자기 구속 원자로와 관성 구속 원자로.전자의 융접 방법은 이온들이 서로 융합하기 위해 가까이에서 보내는 시간을 연장하는 반면, 후자는 이온들이 떨어져 나갈 시간이 없을 정도로 빠르게 융합하는 것을 목표로 한다.관성 구속 원자로는 자기 구속 원자로와 달리 융접을 위해 레이저 융접과 이온 빔 융접을 사용한다.그러나 자기 구속형 원자로를 사용하면 핵융합 반응의 고온에 견딜 수 있는 물질을 찾아야 하는 문제를 피할 수 있다.가열 전류는 중앙 유도 코일의 변화하는 자기장에 의해 유도되며 100만 암페어를 초과합니다.자기융합장치는 하전입자에 대한 자력과 움직이는 [4]입자에 작용하는 구심력에 의해 원형 또는 나선형 경로로 이동하도록 함으로써 뜨거운 플라즈마가 용기의 벽과 접촉하지 않도록 한다.

역사

토카막

1960년대 초, 핵융합 발전 분야는 연구자들이 다양한 연구 기관들을 순환하는 반년마다 회의를 조직하기 시작할 정도로 충분히 커졌다.1968년, 노보시비르스크에서 연차총회가 열렸는데, 소련 대표단은 그들의 토카막 설계가 적어도 다른 어떤 장치보다 뛰어난 성능 수준에 도달했다고 주장하여 모두를 놀라게 했다.이 주장은 처음에는 회의적인 반응을 보였지만, 그 다음 해 영국의 한 팀에 의해 그 결과가 확인되었을 때, 이 엄청난 진전은 토카막 [5]건설의 "가상적인 쇄도"로 이어졌다.

미국에서 지금까지 연구된 주요 접근법 중 하나는 스텔라레이터로, 그 개발은 거의 PPPL로 제한되었다.그들의 최신 디자인인 모델 C는 최근에 작동하기 시작했고, 유용한 수치와는 거리가 먼 이론적인 계산을 훨씬 밑도는 성능을 보여주었다.Novosibirsk의 결과가 확인됨에 따라, 그들은 즉시 모델 C를 Symmetrical Tokamak(ST)로 알려진 토카막 레이아웃으로 변환하기 시작했다.이것은 불과 8개월이라는 짧은 시간에 완성되어 1970년 5월에 서비스를 개시했다.ST의 컴퓨터 진단을 통해 소련 결과와 빠르게 일치할 수 있었고, 그 시점부터 모든 핵융합 세계는 다른 [6]어떤 것보다도 이 설계에 점점 더 집중하게 되었습니다.

프린스턴 대토러스

1970년대 초 요시카와 쇼이치는 토카막 개념을 검토하고 있었다.그는 원자로의 단축(관경)이 장축(계통 전체의 직경)에 비해 커짐에 따라 시스템의 효율이 높아졌다고 지적했다.또한 단축이 증가함에 따라 연료 이온이 원자로 외부까지 도달하는 데 시간이 더 오래 걸린다는 단순한 이유로 가두는 시간이 개선되었다.이로 인해 종횡비가 낮은 디자인이 이전 [2]모델에 비해 크게 발전했다는 사실이 널리 받아들여졌습니다.

이것은 1975년에 완공된 프린스턴 대형 토러스로 이어졌다.이 시스템은 플라즈마를 가열하기 위해 전류를 흐르는 시스템인 오믹 가열 시스템의 한계에 빠르게 도달할 정도로 성공적이었다.추가 난방에 대해 제안된 많은 아이디어 중, PPPL은 Oak Ridge 국립 연구소와 협력하여 중성 빔 주입 아이디어를 개발했습니다.이것은 작은 입자 가속기를 사용하여 연료 원자를 플라즈마에 직접 주입하여 가열하고 신선한 연료를 [2]공급했습니다.

빔 주입 시스템을 여러 번 수정한 후, 새롭게 장착된 PLT는 기록을 세우기 시작했고, 결국 핵융합로보다 더 많은 6천만 K의 속도로 여러 차례 시험운행을 했다.로슨 점화 기준에 도달하기 위해 필요한 것은 높은 플라즈마 밀도뿐이었고, 더 큰 기계에서는 이것이 불가능할 이유가 없어 보였다.1970년대에 [6][2]손익분기점에 도달할 것이라는 믿음이 널리 퍼져 있었다.

TFTR 개념

TFTR 플라즈마 용기 내부

PLT와 다른 후속 설계의 성공 이후, 기본 개념은 잘 이해된 것으로 간주되었습니다.PPPL은 펄스 [2]작동 시 플라즈마 연소를 보여주는 PLT의 훨씬 더 큰 후속 모델 설계를 시작했습니다.

1974년 7월, 에너지부(DOE)는 모든 주요 핵융합 연구소가 참석한 대규모 회의를 개최했습니다.참석자들 중 주목할 만한 사람은 기계를 연구하고 감금 상태를 파괴할 수 있는 다양한 새로운 불안정성을 발견하는 습관을 가진 이론가 마셜 로젠블루스였다.모두가 놀랍게도 그는 이번 회의에서 새로운 우려를 제기하지 못했다.손익분기점의 길은 [7]분명해 보였다.

손익분기점에 대한 공격 전 마지막 단계는 중수소를 단독으로 구동하는 이전 기계와 달리 중수소와 삼중수소의 혼합물을 구동하는 원자로를 만드는 것이다.이는 삼중수소가 방사성이었고 체내에 쉽게 흡수되었기 때문에 사용 비용이 많이 들기 때문이다.중수소에서만 작동하는 기계의 성능은 기본적으로 D-T에서 작동하는 기계와 동일하다고 널리 알려져 있었지만, 이 가정은 테스트가 필요했다.회의에서 제시된 디자인을 검토하면서 DOE 팀은 프린스턴 [7]디자인을 선택했습니다.

최근에 DOE 운영 위원회를 맡은 Bob Hirsch는 Oak Ridge National Laboratory(ORNL)에서 테스트 기계를 만들고 싶었지만, 부서의 다른 사람들은 PPPL에서 그렇게 하는 것이 더 합리적이라고 그에게 확신시켰습니다.그들은 프린스턴 팀이 다른 사람의 설계를 실행하는 ORNL 팀보다 더 많이 관여할 것이라고 주장했다.상업 시스템의 엔지니어링 프로토타입을 따른다면, 오크 리지에 건설될 수 있을 것이다.그들은 이 프로젝트에 TFTR이라는 이름을 붙이고 1975년 1월에 승인을 받은 자금을 받기 위해 의회에 갔다.1975년 내내 컨셉트 디자인 작업이 진행되었고,[7] 이듬해부터 상세 디자인이 시작되었다.

TFTR은 세계에서 가장 큰 토카막입니다.비교적으로 원래의 ST는 플라즈마 직경이 12인치(300mm)였고 후속 PLT 설계는 36인치(910mm)였으며 TFTR은 86인치(2200mm)[2]로 설계되었습니다.이로 인해 1978년식 유럽식 Torus와 JT-60의 지름은 [8]모두 약 절반이었다.

PLT가 계속해서 더 나은 결과를 도출함에 따라 1978년과 79년에 추가 자금이 추가되었고 플라즈마 내 핵융합 반응에 의해 생성되는 전력량이 플라즈마를 작동 온도로 가열하기 위해 공급되는 전력량과 동일할 때 "과학적인 이익"이라는 오랜 목표 달성을 위해 설계가 수정되었다.Q = 1이라고도 하는 이 단계는 유용한 전력 생산 [9]설계를 위한 중요한 단계입니다.이 요건을 충족하기 위해 난방 시스템은 50 MW로, 마지막으로 80 [10]MW로 업그레이드되었습니다.

운용

건설은 1980년에 시작되었고 TFTR은 1982년에 처음 운영을 시작했다.장기간의 침입과 테스트가 뒤따랐다.1980년대 중반에는 중수소의 성능을 파악하기 위한 실험이 본격적으로 시작되었다.1986년에 그것은 많은 핵융합 [11]중성자를 생산한 최초의 '슈퍼샷'을 생산했다.이는 시스템이 초기 1976년 설계의 목표에 도달할 수 있음을 보여주었다. 중수소에서 작동할 때 성능은 삼중수소가 도입되면 약 3.5 MW의 핵융합 전력을 생산할 것으로 예상되었다.난방 시스템의 에너지를 고려할 때, 이는 손익분기점 [9]요건의 약 20%에 불과한 약 0.2의 Q를 나타냅니다.

그러나 추가 테스트 결과 심각한 문제가 발견되었습니다.손익분기점에 도달하려면 시스템이 온도, 밀도 및 연료 제한 시간의 조합인 여러 가지 목표를 동시에 충족해야 합니다.1986년 4월, TFTR 실험에서는 이 중 마지막 두 가지 요건을 입증했는데, 이는 실제 원자로의 목표치에 가깝고 손익분기점에 필요한 5배에서 7배인 입방 센티미터당 1.5 x 1014 켈빈의 핵융합 삼중생성물을 생산할 때였다.그러나 이는 필요한 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 발생했습니다.1986년 7월 TFTR은 플라즈마 온도 2억 켈빈(200 MK)에 도달했으며, 이는 당시 연구소에서 가장 높은 온도였다.온도는 태양의 중심보다 10배 더 높고, 브레이크벤에 충분한 온도이다.불행히도 이러한 온도에 도달하기 위해 트리플 제품은 손익분기점에 비해 두세 배나 작은 10개로13 대폭 축소되었습니다.

동시에 이러한 상태에 도달하기 위한 큰 노력이 계속되었다.TFTR 프로젝트 매니저인 Donald Grove는 그들이 1987년에 그 목표를 달성할 것으로 예상한다고 말했다.1989년부터 [12]실제로 손익분기점을 산출하는 D-T 테스트가 뒤따를 것이다.유감스럽게도 시스템은 이러한 목표 중 어느 것도 달성할 수 없었습니다.이러한 문제의 원인은 이후 몇 년 동안 집중적으로 연구되어 소형 기계에서는 볼 수 없었던 고성능 플라스마의 불안정성에 대한 새로운 이해가 이루어졌습니다.TFTR의 문제의 주요 결과는 매우 불균일한 플라즈마 단면, 특히 현재 필드를 지배하고 있는 D자형 플라즈마의 개발이었다.

이후의 실험

TFTR이 손익분기점에 도달하지 못할 것이라는 것이 분명해졌지만, 삼중수소를 사용한 실험은 1993년 12월에 본격적으로 시작되었고, 이러한 장치가 주로 이 연료로 이동한 첫 번째 장치였다.1994년에는 50~50D-T 플라즈마에서 10.7메가와트의 핵융합 전력을 생산했다(1997년에는 주입 화력 24MW로 16MW를 초과, 2021년까지 기록).두 실험은 중수소-삼중수소 반응에서 생성된 알파 입자를 강조했는데, 이것은 플라즈마의 자기 발열과 모든 작동 설계의 중요한 부분이다.1995년에 TFTR은 5억 1천만 °C의 세계 기록 온도를 달성했는데, 이는 태양의 중심 온도보다 25배 이상 높은 온도입니다.그 다음해 JT-60 Tokamak이 5억2200만 °C(45 keV)[13]의 이온 온도를 달성하면서 이 문제를 해결했습니다.또한 1995년 TFTR 과학자들은 플라즈마 [14]난류를 줄이기 위해 플라즈마 구속의 새로운 기본 형태인 향상된 역전단(reverse shear)을 연구했다.

TFTR은 1997년까지 사용되었습니다.그것은 15년간의 [15]운영 끝에 2002년 9월에 해체되었다.

이어 NSTX 구형 토카막.[16]

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Meade, Dale (September 1988). "Results and Plans for the Tokamak Fusion Test Reactor". Journal of Fusion Energy. 7 (2–3): 107. Bibcode:1988JFuE....7..107M. doi:10.1007/BF01054629. S2CID 120135196.
  2. ^ a b c d e f "Princeton tokamak heats up the race for fusion power". Popular Science. December 1978. pp. 69–71, 150.
  3. ^ https://nstx.pppl.gov/DragNDrop/NSTX_Meetings/Team_Meetings/2011/2011_10_19/Condolences%20for%20Prof%20Shoichi%20Yoshikawa.pdf[베어 URL PDF]
  4. ^ 자기 구속 퓨전 및 TFTR
  5. ^ Thomson, George (30 January 1958). "Thermonuclear Fusion: The Task and the Triumph". New Scientist. Vol. 3, no. 63. pp. 11–13.
  6. ^ a b Chase, Laurence (8 December 1970). "Major Advances in Cancer Research and at Forrestal". p. 19. {{cite magazine}}:Cite 매거진의 요건 magazine=(도움말)
  7. ^ a b c Dean, Stephen (2013). Search for the Ultimate Energy Source. Springer. p. 44. ISBN 9781461460374.
  8. ^ Kubiˇc, Martin (31 July 2007). Review of plasma parameters of the JET tokamak in various regimes of its operation (PDF) (Technical report). Czech Technical University.
  9. ^ a b 미드 1988, 페이지 107
  10. ^ K. W. Ehlers, K. H. Berkner, W. S. Cooper, B. Hooper, R. V. Pyle, J. W. Stearns (17 November 1975). Conceptual Design of a Neutral-Beam Injection System for the TFTR (PDF) (Technical report). Lawrence Berkeley Laboratory.{{cite techreport}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
  11. ^ 퓨전 로빈 허먼입니다1990. ISBN 0-521-38373-0
  12. ^ 톰슨, D.E.(1986) 태양의 10배 뜨거운 플라즈마.사이언스 뉴스130: 102-102.ISSN 0036-8423
  13. ^ "Plasma physics found in JT-60 tokamak over the last 20 years".
  14. ^ "Tokamak Fusion Test Reactor".
  15. ^ "Princeton University - Tokamak Fusion Test Reactor removal successfully completed". www.princeton.edu. Archived from the original on 2013-04-23.
  16. ^ http://www.pppl.gov/Tokamak%20Fusion%20Test%20Reactor (물리적인 목표를 달성할 뿐만 아니라 TFTR은 하드웨어 설계 목표를 모두 달성했습니다)