Принстонская лаборатория физики плазмы ( PPPL ) — национальная лаборатория Министерства энергетики США , занимающаяся физикой плазмы и наукой о ядерном синтезе . Его основная задача — исследование и разработка термоядерного синтеза как источника энергии . Он известен разработкой конструкций стеллараторов и токамаков , а также многочисленными фундаментальными достижениями в физике плазмы и исследованием многих других концепций удержания плазмы.
PPPL вырос из сверхсекретного проекта холодной войны по контролю термоядерных реакций, получившего название « Проект Маттерхорн» . Фокус этой программы изменился с водородных бомб на термоядерную энергию в 1951 году, когда Лайман Спитцер разработал концепцию стелларатора и получил финансирование от Комиссии по атомной энергии для изучения этой концепции. Это привело к созданию серии машин в 1950-х и 1960-х годах. В 1961 году, после рассекречивания, проект Маттерхорн был переименован в Принстонскую лабораторию физики плазмы. [2]
Стеллараторы PPPL оказались неспособны достичь поставленных целей. В 1968 году заявления Советского Союза о превосходных характеристиках своих токамаков вызвали сильный скептицизм, и для проверки этого стелларатор модели C компании PPPL был преобразован в токамак. Это подтвердило советские утверждения, и с тех пор PPPL стала мировым лидером в области теории и проектирования токамаков, построив серию рекордных машин, включая Princeton Large Torus , TFTR и многие другие. Также были построены десятки машин меньшего размера для тестирования конкретных проблем и решений, включая ATC, NSTX и LTX .
PPPL расположен на территории кампуса Форрестол Принстонского университета в городке Плейнсборо , штат Нью-Джерси .
В 1950 году Джон Уиллер создавал секретную лабораторию по исследованию водородной бомбы в Принстонском университете . Лайман Спитцер-младший , заядлый альпинист, знал об этой программе и предложил название «Проект Маттерхорн». [3]
Спитцер, профессор астрономии, в течение многих лет занимался изучением очень горячих разреженных газов в межзвездном пространстве. Отправляясь на лыжную прогулку в Аспен в феврале 1951 года, его отец позвонил ему и посоветовал прочитать первую полосу « Нью-Йорк Таймс» . В газете была опубликована статья об утверждениях, опубликованных накануне в Аргентине, о том, что относительно неизвестный немецкий ученый по имени Рональд Рихтер достиг ядерного синтеза в своем проекте Хуэмул . [4] Спитцер в конечном итоге отверг эти утверждения, и позже они оказались ошибочными, но эта история заставила его задуматься о термоядерном синтезе. Поднимаясь на кресельном подъемнике в Аспене, он придумал новую концепцию удержания плазмы на длительное время, чтобы ее можно было нагреть до температур термоядерного синтеза. Эту концепцию он назвал стелларатором .
Позже в том же году он представил этот проект Комиссии по атомной энергии в Вашингтоне. В результате этой встречи и рассмотрения изобретения учеными по всей стране предложение стелларатора было профинансировано в 1951 году. Поскольку устройство должно было производить нейтроны высокой энергии , которые можно было использовать для производства оружейного топлива, программа была засекречена и запрещена. осуществляется в рамках проекта Маттерхорн. Маттерхорн в конечном итоге прекратил свое участие в разработке бомб в 1954 году, полностью посвятив себя термоядерной энергии.
В 1958 году это исследование магнитного синтеза было рассекречено после Международной конференции ООН по мирному использованию атомной энергии . Это вызвало приток аспирантов, жаждущих изучить «новую» физику, что, в свою очередь, побудило лабораторию больше сосредоточиться на фундаментальных исследованиях. [5]
Ранние стеллараторы в форме восьмерки включали: Модель-A, Модель-B, Модель-B2, Модель-B3. [6] Модель B64 имела квадратную форму с закругленными углами, а модель B65 имела конфигурацию гоночной трассы. [6] Последним и самым мощным стелларатором в это время был «гоночный трек» Model C (работавший с 1961 по 1969 год). [7]
К середине 1960-х годов стало ясно, что со стеллараторами что-то в корне не так, поскольку они выбрасывали топливо со скоростью, намного превышающей предсказанную теорией, со скоростью, которая уносила энергию из плазмы, которая намного превышала ту, которую могли когда-либо произвести реакции термоядерного синтеза. Спитцер стал крайне скептически относиться к возможности термоядерной энергии и публично выразил это мнение в 1965 году на международной встрече в Великобритании. На той же встрече советская делегация объявила о результатах, примерно в 10 раз лучших, чем у любого предыдущего устройства, что Спитцер назвал ошибкой измерения.
На следующей встрече в 1968 году Советы представили значительные данные своих устройств, которые показали еще большую производительность, примерно в 100 раз превышающую предел диффузии Бома . Между AEC и различными лабораториями разгорелся огромный спор о том, было ли это на самом деле. Когда британская команда проверила результаты в 1969 году, AEC предложила PPPL преобразовать их Модель C в токамак для его тестирования, поскольку единственной лаборатории, желающей построить ее с нуля, Ок-Ридж , потребуется некоторое время, чтобы построить свою собственную. Видя возможность обхода в области термоядерного синтеза, PPPL в конце концов согласился преобразовать Модель C в то, что стало симметричным токамаком (ST), быстро проверив подход.
За ST последовали две небольшие машины, исследовавшие способы нагрева плазмы, а затем Большой Тор Принстона (PLT), чтобы проверить, верна ли теория о том, что более крупные машины будут более стабильными. Начиная с 1975 года PLT проверял эти «законы масштабирования», а затем добавил инжекцию нейтрального луча из Ок-Риджа, что привело к серии рекордных температур плазмы, в конечном итоге достигших максимального значения в 78 миллионов Кельвинов , что намного превышает то, что было необходимо для практическая термоядерная энергетическая система. Его успех стал главной новостью.
Благодаря такой череде успехов PPPL без труда выиграла тендер на создание еще более крупной машины, специально разработанной для достижения «безубыточности» при работе на реальном термоядерном топливе, а не на тестовом газе. В результате был создан испытательный термоядерный реактор Токамак , или TFTR, строительство которого было завершено в 1982 году. После длительного периода обкатки TFTR начал медленно увеличивать температуру и плотность топлива, вводя в качестве топлива газообразный дейтерий . В апреле 1986 года он продемонстрировал сочетание плотности и локализации, так называемый тройной продукт термоядерного синтеза , значительно превосходящий то, что было необходимо для практического реактора. В июле температура достигла 200 миллионов Кельвинов, что намного превышает необходимое значение. Однако, когда система работала в обоих этих условиях одновременно, при достаточно высоком тройном продукте и температуре, система становилась нестабильной. Три года усилий не смогли решить эти проблемы, и TFTR так и не достигла своей цели. [8] Система продолжала выполнять фундаментальные исследования по этим проблемам до тех пор, пока не была закрыта в 1997 году. [9] Начиная с 1993 года, TFTR был первым в мире, кто использовал смеси дейтерия и трития в соотношении 1:1 . В 1994 году он выдал беспрецедентную термоядерную мощность в 10,7 мегаватт. [9]
В 1999 году в PPPL был запущен Национальный эксперимент со сферическим тором (NSTX), основанный на концепции сферического токамака.
Нагрев нечетной четности был продемонстрирован в эксперименте PFRC-1 радиусом 4 см в 2006 году. PFRC-2 имеет радиус плазмы 8 см. Исследования нагрева электронов в ПФРК-2 достигали 500 эВ при длительности импульса 300 мс. [10]
В 2015 году компания PPPL завершила модернизацию NSTX для производства NSTX-U, что сделало ее самой мощной экспериментальной термоядерной установкой, или токамаком, такого типа в мире. [11]
В 2017 году группа получила грант фазы II NIAC вместе с двумя STTR НАСА, финансирующими радиочастотную подсистему и подсистему сверхпроводящих катушек. [10]
В 2024 году лаборатория анонсировала MUSE, новый стелларатор . В MUSE используются постоянные магниты из редкоземельных металлов с напряженностью поля, которая может превышать 1,2 Тл . В устройстве используется квазиаксисимметрия, подвид квазисимметрии . Исследовательская группа заявила, что использование квазисимметрии было более сложным, чем в предыдущих устройствах. [12]
В 1961 году Готлиб стал первым директором переименованной Принстонской лаборатории физики плазмы. [13] [14]
Ученые лаборатории сотрудничают с исследователями в области термоядерной науки и технологий на других объектах, включая DIII-D в Сан-Диего, EAST в Китае, JET в Великобритании, KSTAR в Южной Корее, LHD в Японии, Wendelstein 7-X (W7 -X) устройство в Германии и Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) во Франции. [20]
PPPL управляет проектом ИТЭР в США совместно с Национальной лабораторией Ок-Ридж и Национальной лабораторией Саванна-Ривер . В 2017 году лаборатория поставила 75% компонентов для электрической сети эксперимента по термоядерной энергии и руководила разработкой и созданием шести диагностических инструментов для анализа плазмы ИТЭР. Физик PPPL Ричард Хаврилюк занимал пост заместителя генерального директора ИТЭР с 2011 по 2013 год. В 2022 году сотрудники PPPL вместе с исследователями из других национальных лабораторий и университетов в течение нескольких месяцев разработали план исследований ИТЭР в США в ходе совместного семинара по потребностям в исследованиях в области термоядерных энергетических наук. [21]
Сотрудники применяют знания, полученные в ходе термоядерных исследований, в ряде теоретических и экспериментальных областей, включая материаловедение , физику Солнца , химию и производство . PPPL также стремится ускорить развитие термоядерной энергетики за счет развития большего числа государственно-частных партнерств. [22] [23] [24]
Маршрут 3 компании Tiger Transit ведет к кампусу Форрестол и заканчивается в PPPL.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
СМИ, связанные с Принстонской лабораторией физики плазмы, на Викискладе?