Войти
 Эксперимент с токамаком Alcator C-Mod в MIT Plasma Science и Центр Фьюжн. Обзор, показывающий само устройство (под бетонным экраном) и диагностику в окружающем отсеке. | |
| Тип устройства | Токамак |
|---|---|
| Местоположение | Кембридж, Массачусетс, US |
| Филиал | MIT Plasma Центр науки и синтеза |
| Технические характеристики | |
| Большой радиус | 0,68 м (2 фута 3 дюйма) |
| Малый радиус | 0,22 м (8,7 дюйма) |
| Объем плазмы | 1 m |
| Магнитное поле | 3–8 Тл (30 000–80 000 Гс) (тороидальное) |
| Ток плазмы | 0,4–2,0 МА (типичное) |
| История | |
| Год (ы) эксплуатации | 1991 - 2016 |
| Предыдущий | Alcator C |
Alcator C-Mod был токамаком ( тип термоядерного устройства с магнитным ограничением ), которое работало с 1991 по 2016 год в Массачусетском технологическом институте (MIT) Центр изучения плазмы и синтеза (PSFC). Известный своим высоким тороидальным магнитным полем (до 8 Тесла ), Alcator C-Mod удерживает мировой рекорд по среднему по объему давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным удержанием. До своего закрытия в 2016 году он был одним из крупнейших исследовательских центров термоядерного синтеза в Соединенных Штатах.
Alcator C-Mod был третьим из серии токамаков Alcator (от Al до Ca mpo Tor o, High Field Torus) после Alcator A (1973–1979) и Alcator B (1978–1987). Это был самый большой термоядерный реактор, которым управлял любой университет, и он был неотъемлемой частью более крупного Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза.
В конце 1960-х исследования термоядерного синтеза с магнитным удержанием проводились в Массачусетском технологическом институте на небольших «настольных» устройствах. эксперименты в Исследовательской лаборатории электроники и Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера. В это время Советский Союз разрабатывал токамак (хотя в США об этом не знали), а Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) разрабатывала стелларатор.
Бруно Коппи работал в Институте перспективных исследований в Принстонском университете и интересовался основной проблемой физики плазмы - удельным сопротивлением плазмы при высоких значениях как поведение магнитно удерживаемой плазмы при очень высокой напряженности поля (≥ 10 Тл). В 1968 году Коппи принял участие в третьей Международной конференции МАГАТЭ по физике плазмы и исследованиям управляемого ядерного синтеза в Новосибирске. На этой конференции советские ученые объявили, что они достигли температуры электронов более 1000 эВ в устройстве токамак ().
В том же году Коппи был назначен профессором факультета физики Массачусетского технологического института. Он немедленно сотрудничал с инженерами из Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера, возглавляемой Брюсом Монтгомери, для разработки компактного (большой радиус 0,54 м) высокопольного (10 Тл по оси) токамака, который он назвал Алкатор . Название представляет собой аббревиатуру от итальянского Al до Ca mpo Tor o, что означает «высокопольный тор». После создания Alcator C, а затем Alcator C-Mod, исходный Alcator был задним числом переименован в Alcator A.
Alcator был одобрен Комиссией по атомной энергии (AEC) в 1970 году и впервые был запущен в 1972 году. Проблемы с производительностью (некачественный вакуум и искрение в магнитах с тороидальным полем) привели к перестройке машины в 1973–1974 годах с новым вакуумным корпусом, а научные результаты начались в 1974 году. Алкатор А питался от двигателей-генераторов постоянного тока мощностью 32 МВт Лаборатории Биттера и был первым токамаком в мире, в котором для омического тока и нагрева использовался трансформатор с воздушным сердечником.
Успех Alcator A привел к концептуальному проектированию, начиная с 1975 г., более крупной машины под названием Alcator B. Однако двигатели-генераторы, используемые для Alcator A, были недостаточно мощный, чтобы приводить в действие новую машину, что потребовало покупки и установки новых источников питания, расходы, которые Управление исследований и развития энергетики (ERDA) не желало финансировать. Однако ERDA с энтузиазмом отнеслась к созданию еще одного Alcator, и решение было найдено: генератор переменного тока мощностью 225 МВА был подарен Массачусетскому технологическому институту Con Ed с завода на Ист-Ривер в Нью-Йорке. Концептуальный дизайн был изменен с учетом различных источников питания, и проект был переименован в Alcator C.
Alcator C был официально авторизован в 1976 году. В этом же году Plasma Fusion Center ( теперь Центр изучения плазмы и термоядерного синтеза) был отделен от Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера. Строительство Alcator C шло быстро, и первые испытания были проведены в конце 1977 г. Генератор переменного тока прибыл из Кон-Эд в начале 1978 г. (его транспортировка была затруднена метелью 1978 ) и был включен в систему в лето 1978 года. Научные работы начались в сентябре того же года.
Alcator C был более крупной машиной (R 0 = 0,64 м) и работал на более высоком поле (B 0 ≤ 13 T), чем Alcator A. добавление 4 МВт нагревателя нижнего гибрида в 1982 году позволило достичь температуры электронов более 3,0 кэВ. В то время как Alcator C изначально не имел ожидаемого времени удержания энергии, из-за начала турбулентности градиента температуры ионов при высоких значениях 
Несколько идей для новых устройств и обновлений в PSFC так и не получили финансирования. С 1978 по 1980 год велась работа по проектированию Alcator D, более крупной версии Alcator C, которая позволила бы увеличить мощность нагрева и, возможно, даже дейтериево-тритиевую (D – T) работу. Эта конструкция никогда официально не предлагалась Министерству энергетики (DOE), но продолжала развиваться под руководством Коппи, в конечном итоге превратившись в итальянско-российское устройство IGNITOR, строительство которого запланировано на ТРОИЦА близ Троицк, Россия.
В 1982 году было задумано еще одно более амбициозное устройство под названием Alcator DCT. Эта машина будет иметь сверхпроводящие катушки, производящие 7 Тл на оси. Электропривод с пониженным гибридным током мощностью 4 МВт будет возбуждать установившуюся плазму с током плазмы 1,4 мА. Поскольку этот дизайн был похож на французский Tore Supra, в 1983 году в Кадараше был проведен совместный франко-американский семинар для сравнения этих двух дизайнов и обмена идеями. Alcator DCT был официально предложен Министерству энергетики в конце 1983 г., но не получил финансирования.
В то время бюджет на исследования в области магнитной термоядерной энергии в США увеличивался из года в год, достигнув пика в 468,4 миллиона долларов в 1984 финансовом году. В том же году PSFC была уведомлена, что в течение Со временем бюджеты будут сокращаться, и политика Министерства энергетики будет заключаться в финансировании только модернизации существующих устройств, а не новых машин. Таким образом, были начаты работы по проектированию машины с медной обмоткой, в которой будут повторно использоваться некоторые блоки питания от Alcator C, что позволило команде представить его как «модификацию» Alcator C. Концептуальный дизайн был завершен и Alcator C -Мод был официально предложен Министерству энергетики в конце 1985 года. Проект был одобрен, и строительство было санкционировано в 1986 году.
Внутренний вид токамака, показывающий молибденовые броневые плитки на стене. Видны три нагревательные антенны с диапазоном частот ионного циклотрона (ICRF) - две слева с двумя медными перемычками каждая и четырехканальная «ориентированная по полю» антенна (установлена в 2011 г.) справа. Alcator C-Mod использует нагрев с частотами ионного циклотронного диапазона (ICRF) в качестве основного вспомогательного источника нагрева. Частота источника составляет 80 МГц, а стандартные сценарии нагрева меньшинства - D (H) для 4,4–6,9 Тл и D (3He) для работы в сильном поле (7,3–8,0 Тл). Указывается меньшинство (водород или He3), и в сценариях ICRH используется двухкомпонентная плазма.
Эффективность абсорбции зависит от неосновной концентрации. Также возможно переключение между неосновным нагревом и нагревом с преобразованием режима (МК) путем изменения концентрации неосновных частиц. Относительная доля H 
Дополнительный нагрев является наиболее распространенным сценарием, используемым в C-Mod. Система нагрева ICRF работает на частоте 80 МГц в плазме D (H). Эта частота соответствует осевому неосновному циклотронному резонансу протонов при 5,3 Тл и поглощению быстрых волн неосновными частицами водорода в дейтериевой плазме. Он может быть очень эффективным (типичное однопроходное поглощение в C-Mod составляет 80–90% для неосновных концентраций 5–10%). Меньшинный нагрев на 80 МГц и 7,9 Тл в плазме с большей частью дейтерия достигается с помощью неосновного резонанса He3 (на оси), но однопроходное поглощение с неосновными ионами He3 в дейтерии имеет тенденцию быть намного ниже, чем для протонов (например, сценарий с неосновным нагревом при 5,3–5,4 Тл).
Преобразование режима быстрой магнитозвуковой волны в ионную циклотронную волну и ионную волну Бернштейна в ионно-циклотронном диапазоне частот (ICRF) можно использовать для нагрева электронов. Нагрев с преобразованием режима выполняется в C-Mod с использованием ICRF в плазме D (3He).
Токовый привод нижнего гибрида (LHCD) (на основе Нижний гибрид колебание ) используется для дополнения тока, подаваемого омическим трансформатором. Система LHCD способна подавать в плазму 1,0+ МВт микроволновой мощности (планируется модернизация до 2 МВт или более с добавлением второй антенны в 2013 году) на плазму на частоте 4,6 ГГц. Электропитание обеспечивается СВЧ-усилителями клистрона мощностью 250 кВт производства CPI, Inc. Была достигнута не- индуктивная работа в течение импульсов до 0,5 с при 500 кА. Нижнегибридные волны запускаются преимущественно в направлении, противоположном току плазмы (то есть в направлении движения электронов), и передают энергию электронам, движущимся со скоростью, примерно в три раза превышающей тепловую скорость, посредством затухания Ландау. Основная область исследований LHCD была в области возбуждения тока при высоких плотностях (n e>10 м), необходимых для термоядерной электростанции.
Панорама внешней стены токамака, сшитая из 273 фото. Слева можно увидеть повернутую антенну ионно-циклотронной частоты с четырьмя медными антенными планками. В центре видна нижняя гибридная пусковая установка с сеткой из небольших прямоугольных волноводов, а невращающиеся антенны ионно-циклотронной частоты расположены справа с четырьмя медными перемычками. Вход для нейтрального луча - это большое круглое отверстие справа. Alcator C-Mod должен был быть закрыт в октябре 2013 года. Однако Конгресс Конгресса 2014 года В счетах общих расходов явно указана операция эксперимента, предусматривающая 22 миллиона долларов. Экспериментальная операция была возобновлена в феврале 2014 года.
Финансирование было снова продлено на 2015 финансовый год, хотя в сводном законопроекте, в котором предусматривалось финансирование, прямо говорилось, что финансирование не будет предоставлено после 2016 финансового года.
В 2016 году Alcator C-Mod установил мировой рекорд по давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным замком, достигнув 2,05 атмосферы, что на 15 процентов больше предыдущего рекорда 1,77 атмосферы (также установленного Alcator C-Mod). Эта рекордная плазма имела температуру 35 миллионов градусов Цельсия, длилась 2 секунды и давала 600 триллионов реакций синтеза. В ходе эксперимента использовалось тороидальное магнитное поле 5,7 тесла. Эта веха была достигнута в последний день своей работы.
После завершения работы в конце сентября 2016 года объект был переведен в режим безопасной остановки, и никаких дополнительных экспериментов в настоящее время не планируется. За более чем 20 лет эксплуатации накоплено огромное количество данных, а экспериментальные и теоретические группы продолжают анализировать результаты и публиковать их в научной литературе.
Данные о давлении плазмы Alcator C-Mod 2.05 атмосфера, вероятно, продержится какое-то время. Единственная строящаяся машина, которая, по прогнозам, побьет этот рекорд, - это токамак ITER во Франции. Ожидается, что ИТЭР не будет полностью введен в эксплуатацию до 2032 года, а это означает, что рекорд Alcator C-Mod будет сохраняться в течение 15 лет, если до этого времени не будет построено другое новое устройство.
