Joint European Torus ( JET ) — эксперимент по физике магнитно-удерживаемой плазмы , расположенный в Калхэмском центре термоядерной энергии в Оксфордшире , Великобритания . Основанный на конструкции токамака , исследовательский центр термоядерного синтеза был совместным европейским проектом, главной целью которого было открытие пути к будущей термоядерной сетевой энергетике. На момент своего проектирования JET был больше любой сопоставимой машины.
JET начал работу в 1983 году и провел большую часть следующего десятилетия, увеличивая свою производительность в длительной серии экспериментов и модернизаций. В 1991 году были проведены первые эксперименты с использованием трития , что сделало JET первым реактором в мире, работающим на производственной топливной смеси 50–50 трития и дейтерия . Было также решено добавить конструкцию дивертора к JET, что произошло между 1991 и 1993 годами. Производительность была значительно улучшена, и в 1997 году JET установил рекорд по максимальному приближению к научной безубыточности, достигнув Q = 0,67 в 1997 году, вырабатывая 16 МВт термоядерной энергии и одновременно вводя 24 МВт тепловой энергии для нагрева топлива. [1]
В период с 2009 по 2011 год JET был закрыт для реконструкции многих его частей, чтобы внедрить концепции, используемые при разработке проекта ИТЭР в Сен-Поль-ле-Дюрансе , в Провансе , на юге Франции. [2] В декабре 2020 года началась модернизация JET с использованием трития в рамках его вклада в ИТЭР. [3]
Сразу после объявления о закрытии JET на конференции МАГАТЭ в Лондоне в октябре 2023 года группа «Ученые за JET» запустила петицию с призывом пересмотреть решение о закрытии JET, поскольку ученые опасаются разрыва во времени исследований и потери персонала между закрытием JET и началом эксплуатации ИТЭР. [4]
JET завершит свою работу в декабре 2023 года, а вывод из эксплуатации, как ожидается, продлится до 2040 года. [5]
Как большой эксперимент токамака, JET был разработан для изучения поведения плазмы в условиях и размерах, приближающихся к тем, которые требуются в термоядерном реакторе. Главными целями эксперимента были исследование: [6]
К началу 1960-х годов сообщество исследователей термоядерного синтеза находилось в упадке. Многие изначально многообещающие экспериментальные пути не смогли дать полезных результатов, а последние эксперименты показали, что производительность застопорилась на пределе диффузии Бома , намного ниже того, что было бы необходимо для практического термоядерного генератора. [7]
В 1968 году Советы провели периодическую встречу исследователей термоядерного синтеза в Новосибирске , где они представили данные со своего токамака Т-3. Это представляло собой резкий скачок в производительности термоядерного синтеза, по крайней мере в 10 раз превышающий показатели лучших машин в мире на тот момент. Результаты были настолько хороши, что некоторые сочли их ошибочными измерениями. Чтобы противостоять этому, Советы пригласили команду из Великобритании для независимого тестирования своей машины. Их отчет 1969 года подтвердил советские результаты, что привело к «настоящему паническому бегству» строительства токамаков по всему миру. [8] [9]
Ключевой проблемой в конструкциях токамаков было то, что они не генерировали достаточно электрического тока в своей плазме , чтобы обеспечить достаточное нагревание для приведения топлива в условия синтеза. Требовался бы какой-то внешний нагрев. Недостатка в идеях для этого не было, и в середине 1970-х годов по всему миру была построена серия машин для исследования этих концепций. Одна из них, Princeton Large Torus (PLT), продемонстрировала, что инжекция нейтрального пучка является работоспособной концепцией, используя ее для достижения рекордных температур, значительно превышающих 50 миллионов К, что является минимумом, необходимым для практического реактора. [10]
С успехом PLT путь к научной безубыточности, наконец, стал возможным после десятилетий усилий. Научная безубыточность — это точка, в которой мощность, вырабатываемая реакциями синтеза, равна количеству мощности, впрыскиваемой для нагрева плазмы. Как только достигается безубыточность, даже небольшие улучшения с этой точки начинают быстро увеличивать количество высвобождаемой чистой энергии. Команды по всему миру начали планировать новое поколение машин, объединяющих инжекторы PLT со сверхпроводящими магнитами и вакуумными сосудами, которые могли бы содержать дейтерий-тритиевое топливо вместо тестового топлива, содержащего чистый дейтерий или водород , которые использовались до этого момента. [11]
В 1971 году государства-члены Европейского сообщества по атомной энергии (Евратом) приняли решение в пользу надежной программы термоядерного синтеза и обеспечили необходимую правовую основу для разработки европейского термоядерного устройства. [12] В 1975 году были завершены первые предложения по машине JET. Детальное проектирование заняло три года. [13] В конце 1977 года, после долгих дебатов, Калхэм был выбран в качестве принимающей площадки для нового проекта. Финансирование было одобрено 1 апреля 1978 года в качестве юридического лица «JET Joint Undertaking». [14]
Реактор был построен на новой площадке рядом с Центром термоядерной энергии Калхэма , британской лабораторией термоядерных исследований, которая открылась в 1965 году. Строительство зданий было предпринято Tarmac Construction [15] , начав в 1978 году с Torus Hall. Зал был завершен в январе 1982 года, а строительство самой машины JET началось сразу после завершения Torus Hall. [14] Стоимость составила 198,8 миллионов европейских расчетных единиц (предшественник евро) [16] или 438 миллионов в долларах США 2014 года. [17]
JET был одной из двух моделей токамака, разработанных для работы с настоящей топливной смесью дейтерий - тритий , другой была построенная в США модель TFTR . Обе были построены с надеждой достичь научной безубыточности , где «коэффициент усиления энергии синтеза» или Q = 1,0. [18] [6] [19] [20]
JET получил свою первую плазму 25 июня 1983 года. [14] Он был официально открыт 9 апреля 1984 года королевой Елизаветой II . [21] 9 ноября 1991 года JET провел первый в мире эксперимент с дейтерием и тритием. [22] Это опередило американскую машину TFTR на целых два года. [23]
Несмотря на большой успех, JET и его аналог TFTR не смогли достичь научной безубыточности. Это было связано с рядом эффектов, которые не наблюдались в предыдущих машинах, работающих при более низких плотностях и давлениях. На основе этих результатов и ряда достижений в формировании плазмы и конструкции дивертора появилась новая схема токамака, иногда называемая «усовершенствованным токамаком». Усовершенствованный токамак, способный достичь научной безубыточности, должен был быть очень большим и очень дорогим, что привело к международным усилиям ITER . [24]
В 1991 году были проведены первые эксперименты с тритием , что позволило JET работать на производственном топливе из смеси трития и дейтерия в соотношении 50/50 . [2] В это же время было решено добавить дивертор, позволяющий удалять отходы из плазмы. [25] Производительность была значительно улучшена, что позволило JET установить множество рекордов по времени удержания, температуре и тройному продукту синтеза . В 1997 году JET установил рекорд по самому близкому приближению к научной безубыточности. Он достиг Q = 0,67, вырабатывая 16 МВт энергии синтеза при инжекции 24 МВт тепловой мощности для нагрева топлива, [26] рекорд, который продержался до 2021 года. [27] [28] Это был также рекорд по наибольшей вырабатываемой мощности синтеза. [29] [30]
В 1998 году инженеры JET разработали систему дистанционного управления, с помощью которой впервые стало возможным заменять определенные компоненты, используя только искусственные руки. Система «дистанционного управления» является, в общем, необходимым инструментом для любой последующей термоядерной электростанции и особенно для Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР), разрабатываемого в Сен-Поль-ле-Дюранс , в Провансе , на юге Франции. Эта система дистанционного управления впоследствии привела к появлению RACE (дистанционные приложения в сложных условиях) . [31]
В 1999 году было создано Европейское соглашение о развитии термоядерного синтеза (EFDA), в обязанности которого входило коллективное использование JET в будущем. [32]
В октябре 2009 года начался 15-месячный период остановки для перестройки многих частей JET с целью внедрения концепций, используемых при разработке проекта ITER в Сен-Поль-ле-Дюрансе , в Провансе , на юге Франции. [2] Это включало замену углеродных компонентов в вакуумной камере на вольфрамовые и бериллиевые . [33]
В середине мая 2011 года остановка завершилась. [34] Первая экспериментальная кампания после установки «Стены, подобной ИТЭР» началась 2 сентября 2011 года. [35]
14 июля 2014 года Европейская комиссия подписала контракт стоимостью 283 млн евро на еще одно пятилетнее продление, чтобы в JET можно было проводить более продвинутые исследования в области высоких энергий. [36]
Brexit поставил под сомнение планы JET. В рамках своего плана по выходу из ЕС Великобритания должна была выйти из Евратома, который обеспечивает финансирование JET. [37] Переговоры о финансировании после 2018 года, когда истек 5-летний план, начались, и новое соглашение о продлении работы JET до 2019 или 2020 года, казалось, было в основном завершено. Эти переговоры были приостановлены после объявления о Brexit. [12] Однако в марте 2019 года правительство Великобритании и Европейская комиссия подписали продление контракта для JET. [38] Это гарантировало работу JET до конца 2024 года независимо от ситуации с Brexit. [39] В декабре 2020 года началась модернизация JET с использованием трития в рамках его вклада в ITER. [3]
21 декабря 2021 года JET выработал 59 мегаджоулей, используя дейтерий-тритиевое топливо, поддерживая синтез в течение пятисекундного импульса, побив свой предыдущий рекорд в 21,7 мегаджоулей при Q = 0,33, установленный в 1997 году. [28] [40]
В октябре 2023 года JET установил свой последний рекорд энергии термоядерного синтеза, выработав 69,29 мегаджоулей за 6 секунд всего лишь из 0,21 мг DT- топлива. [41] [42] В ноябре 2023 года была начата петиция с просьбой не закрывать JET, поскольку ученые опасались разрыва во времени между исследованиями и потерей персонала между закрытием JET и началом эксплуатации ITER. [4] Эксплуатация была прекращена в декабре после выполнения 105 842 импульсов, а вывод из эксплуатации, как ожидается, продлится до 2040 года . [5] Последние импульсы использовались для работы JET за пределами его проектных возможностей. [43] Ожидается, что процесс вывода из эксплуатации и повторного использования продлится до 2040 года. [5]
Сразу после объявления о закрытии JET на конференции МАГАТЭ в Лондоне в октябре 2023 года группа «Ученые за JET» запустила петицию с призывом пересмотреть решение о закрытии JET. [4] Ученые обеспокоены тем, что дата окончания JET была установлена с учетом того, что ITER к этому времени будет запущен и сможет продолжить эксперименты по термоядерному синтезу, но поскольку запуск ITER откладывается [44], а дейтерий-тритиевые (DT) реакции ITER запланированы только на 2035 год, то возникнет многолетний перерыв без исследований по термоядерному синтезу. [4]
JET имеет основной радиус 3 метра, а вакуумная камера в форме буквы D имеет ширину 2,5 метра и высоту 4,2 метра. [45] Общий объем плазмы внутри нее составляет 100 кубических метров, что примерно в 100 раз больше, чем у самой большой машины, находившейся в производстве, когда началось проектирование JET. [46]
JET был одним из первых токамаков, спроектированных для использования вакуумной камеры в форме буквы D. Первоначально это рассматривалось как способ повышения коэффициента безопасности, но во время проектирования также было замечено, что это значительно облегчит создание системы механически, поскольку уменьшит чистые силы по всей камере, которые пытаются заставить тор двигаться к центру большой оси. В идеале магниты, окружающие камеру, должны быть более изогнутыми сверху и снизу и меньше внутри и снаружи, чтобы поддерживать эти силы, что приводит к чему-то вроде овальной формы, к которой D-образная форма очень близка. Более плоская форма на внутреннем крае также была легче поддерживать из-за большей, более плоской поверхности. [47]
Исследуя устойчивость различных форм плазмы на компьютере, команда заметила, что некруглая плазма не полностью отменяет вертикальный дрейф, для решения которого изначально были введены скрученные поля. Если плазма смещается вверх или вниз, она продолжает двигаться в этом направлении. Однако моделирование показало, что скорость дрейфа достаточно медленная, чтобы ее можно было нейтрализовать с помощью дополнительных магнитов и электронной системы обратной связи. [45]
Первичное магнитное поле в токамаке обеспечивается серией магнитов, опоясывающих вакуумную камеру. В JET это серия из 32 медных магнитов, каждый из которых весит 12 тонн. В общей сложности они несут ток силой 51 МА, и поскольку им приходится делать это в течение десятков секунд, они охлаждаются водой. При работе катушка пытается расшириться с силой 6 МН , есть чистое поле по направлению к центру большой оси в 20 МН, и еще одна скручивающая сила, потому что полоидальное поле внутри плазмы имеет разные направления сверху и снизу. Все эти силы переносятся на внешнюю структуру. [48]
Вокруг всей сборки находится 2600-тонный восьмиконечный трансформатор, который используется для индукции тока в плазму. Основная цель этого тока — создать полоидальное поле, которое смешивается с полем, создаваемым тороидальными магнитами, чтобы создать скрученное поле внутри плазмы. Ток также служит вторичной цели — ионизации топлива и обеспечения некоторого нагрева плазмы, прежде чем другие системы возьмут на себя управление. [49]
Основной источник нагрева в JET обеспечивается двумя системами: инжекция положительного иона нейтрального пучка и нагрев ионного циклотронного резонанса. Первый использует небольшие ускорители частиц для выстреливания атомами топлива в плазму, где столкновения заставляют атомы ионизироваться и попадать в ловушку с остальным топливом. Эти столкновения передают кинетическую энергию ускорителей в плазму. Нагрев ионного циклотронного резонанса по сути является плазменным эквивалентом микроволновой печи , использующей радиоволны для прямой перекачки энергии в ионы путем сопоставления их циклотронной частоты . JET был спроектирован таким образом, чтобы изначально он был построен с несколькими мегаваттами обоих источников, а затем позже был расширен до 25 МВт нейтральных пучков и 15 МВт циклотронного нагрева. [50]
Потребность JET в мощности во время плазменного импульса составляет около 500 МВт [51] с пиком свыше 1000 МВт. [52] Поскольку потребление мощности от основной сети ограничено 575 МВт, были построены два больших маховика-генератора для обеспечения этой необходимой мощности. [52] Каждый маховик весом 775 тонн может вращаться со скоростью до 225 об/мин и накапливать 3,75 ГДж, [53] примерно такое же количество кинетической энергии, как и поезд весом 5000 тонн, движущийся со скоростью 140 километров в час (87 миль в час). Каждый маховик использует 8,8 МВт для вращения и может генерировать 400 МВт (кратковременно). [52]
Медиа, связанные с Joint European Torus на Wikimedia Commons51°39′33″с.ш. 1°13′35″з.д. / 51,65917°с.ш. 1,22639°з.д. / 51,65917; -1,22639
