Национальный эксперимент со сферическим тором ( NSTX ) — это устройство магнитного синтеза, основанное на концепции сферического токамака . Он был построен Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) в сотрудничестве с Национальной лабораторией Ок-Риджа , Колумбийским университетом и Вашингтонским университетом в Сиэтле. Он поступил на вооружение в 1999 году. В 2012 году он был остановлен в рамках программы модернизации и получил название NSTX-U , что означает «Модернизация».
Как и другие эксперименты по термоядерному синтезу с магнитным удержанием , NSTX изучает физические принципы термоядерной плазмы — ионизированных газов с достаточно высокими температурами и плотностями для осуществления ядерного синтеза — которые удерживаются в магнитном поле.
Сферическая конструкция токамака, реализованная NSTX, является ответвлением обычного токамака . Сторонники утверждают, что сферические токамаки имеют огромные практические преимущества перед обычными токамаками. По этой причине сферический токамак вызвал значительный интерес с момента его предложения в конце 1980-х годов. Тем не менее, разработка по-прежнему отстает на одно поколение от основных проектов токамаков, таких как JET . Другие крупные эксперименты со сферическим токамаком включают START и MAST в Калхэме в Великобритании.
Первая плазма была получена на NSTX в пятницу, 12 февраля 1999 г., в 19:06.
В экспериментах по магнитному синтезу используется плазма, состоящая из одного или нескольких изотопов водорода . Например, в 1994 году испытательный термоядерный реактор Токамак ( TFTR ) компании PPPL произвел рекордную в мире термоядерную мощность в 10,7 мегаватт из плазмы, состоящей из равных частей дейтерия и трития , топливной смеси, которая, вероятно, будет использоваться в коммерческих термоядерных реакторах. NSTX был экспериментом, подтверждающим принцип, и поэтому использовал только дейтериевую плазму. В случае успеха за ним должны были последовать аналогичные устройства, включая демонстрационный энергетический реактор (например, ИТЭР ), сжигающий дейтерий-тритиевое топливо.
NSTX производил сферическую плазму с отверстием в центре (профиль «яблоко с сердцевиной»; см. MAST ), отличающуюся от пончиковой (тороидальной) плазмы обычных токамаков . Экспериментальное устройство NSTX с низким удлинением A (то есть R / a 1,31, с большим радиусом R 0,85 м и малым радиусом a 0,65 м) имело несколько преимуществ, включая стабильность плазмы за счет улучшенного удержания. Проблемы проектирования включают катушки тороидального и полоидального поля, вакуумные сосуды и компоненты, обращенные к плазме . Эта плазменная конфигурация может удерживать плазму более высокого давления, чем токамак-пончик с большим удлинением при заданной напряженности удерживающего магнитного поля. Поскольку количество вырабатываемой термоядерной энергии пропорционально квадрату давления плазмы, использование плазмы сферической формы может позволить разработать меньшие по размеру, более экономичные и более стабильные термоядерные реакторы. Привлекательность NSTX может быть еще больше повышена за счет его способности улавливать электрический ток с высокой «начальной нагрузкой». Этот самостоятельный внутренний плазменный ток уменьшит требования к мощности внешних плазменных потоков, необходимых для нагрева и удержания плазмы.
Проект NSTX-U (модернизация) [2] стоимостью 94 миллиона долларов был завершен в 2015 году. Он удваивает тороидальное поле (до 1 Тесла), плазменный ток (до 2 МА) и мощность нагрева. Это увеличивает длительность импульса в пять раз. [3] Для достижения этой цели соленоид центрального пакета (CS) был расширен, [4] и были добавлены катушка OH, внутренние полоидальные катушки и линия 2-го пучка нейтральных ионов. [5] Эта модернизация заключалась в установке медной катушки, а не сверхпроводящей катушки.
NSTX-U (обновление) был остановлен в конце 2016 года сразу после обновления из-за отказа одной из его полоидальных катушек. [5] NSTX был закрыт с 2012 года и вернулся только на 10 недель в конце 2016 года, сразу после обновления. Причина этой неисправности частично объясняется несоответствием характеристик охлаждаемой медной обмотки, производство которой было поручено субподрядчику. После этапа диагностики, требующего полного демонтажа устройства и катушек, оценки конструкции и изменения конструкции основных компонентов, включая шесть внутренних полоидальных катушек, [5] [6] в марте 2018 года был принят план перезапуска с запланированной повторной активацией. на конец 2020 года, [7] хотя позже этот срок был перенесен на 2022 год. [8] По состоянию на 2022 год перезапуск все еще откладывался из-за проблемы с изоляцией между центральным соленоидом и катушками вокруг него. [9]
65 000 000 долларов... * Модернизация и замена катушек внутреннего полоидального поля (PF): шесть магнитных катушек PF-I будут заменены новыми катушками или улучшенной конструкцией: они не будут иметь оправок, выступов и никаких выступов. пайка соединений. * Перепроектирование и замена полярных регионов NSTX-U. Верхняя и нижняя часть устройства NSTX-U будут переработаны с многочисленными улучшениями конструкции. Все одинарные уплотнительные кольца будут заменены двойными уплотнительными кольцами или металлической конструкцией, вакуумный интерфейс PF-1c станет более прочным, один из верхних или нижних керамических изоляторов будет исключен, а катушка PF-lb опоры будут термически изолированы от сосуда. * Изменить дизайн и заменить компоненты плазменной облицовки.