Princeton Large Torus (или PLT ) был одним из первых токамаков , построенных в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). Это был один из первых крупномасштабных токамаков и один из самых мощных с точки зрения тока и магнитных полей. Первоначально построенный для демонстрации того, что более крупные устройства будут иметь лучшее время удержания, позже он был модифицирован для нагрева плазменного топлива , что является требованием любого практического термоядерного энергетического устройства.
Токамак стал предметом серьезного обсуждения в 1968 году, когда Советы опубликовали новые данные, показывающие, что они намного лучше, чем любое другое устройство для термоядерного синтеза. Это вызвало значительный скептицизм среди других исследователей, и прошло некоторое время, прежде чем PPPL убедили перевести их стелларатор Model C в конфигурацию токамака. Он немедленно подтвердил советские результаты, а затем превзошел их. Следующим шагом в разработке системы было создание более крупной машины для проверки того, масштабируется ли время удержания плазмы так, как ожидалось. PLT был спроектирован не только больше, но и иметь значительно более высокие внутренние плазменные токи порядка 1 МА. [2] : 214
Другая проблема подхода токамака заключается в том, что он не нагревает топливо напрямую до требуемых температур свыше 50 миллионов Кельвинов . Примерно в то время, когда строился PLT, Национальная лаборатория Ок-Риджа успешно внедрила концепцию нагрева с помощью инжекции нейтрального пучка , или NBI. NBI был добавлен к PLT, и он начал устанавливать рекорд за рекордом, в конечном итоге достигнув 75 миллионов К, что намного превышает минимум, необходимый для практического устройства термоядерного синтеза. Его успех был предметом некоторых споров в недавно сформированном Министерстве энергетики (DOE), которое в то же время стремилось сократить бюджет термоядерного синтеза. Это привело к тому, что было известно как «выходные PLT», когда пресса узнала об успехе, а DOE попыталось преуменьшить его.
Успех PLT проложил путь планам по созданию еще более крупной машины, способной достичь безубыточности , долгожданной цели в термоядерной энергетике. Эта система появилась как реактор для испытаний термоядерного синтеза Tokamak , или TFTR. Первоначально планировалось построить PLT в Ок-Ридже, но успех PLT также привел к победе в конкурсе TFTR.
Когда физика ядерного синтеза впервые прочно обосновалась в начале 1950-х годов, был быстро создан ряд предлагаемых устройств для использования этой энергии. Все они были направлены на решение проблемы удержания плазменного топлива , которое было нагрето по крайней мере до 50 миллионов Кельвинов , что расплавило бы любое вещество. Хитрость, используемая большинством этих устройств, заключалась в манипулировании плазмой с помощью магнитных полей ; поскольку плазма состояла из свободных электронов и ионов , она могла переносить электрический ток и подвергалась воздействию магнитных сил. [3]
На основе простой теории диффузии плазмы , количество времени, необходимое для того, чтобы ион покинул магнитную бутылку, зависит от размера бутылки и квадрата мощности ее магнитов. Это означает, что более крупные машины будут изначально лучше удерживать свое топливо, как потому, что ему нужно пройти большее расстояние, чтобы выбраться, так и потому, что более крупные машины могут вместить более крупные и мощные магниты. Следствием этого является то, что небольшие машины могут рассказать вам только о производительности конструкции в масштабе, необходимом для практического реактора; нужно было бы построить машину среднего размера и сравнить скорость утечки плазмы, чтобы убедиться, что она следует ожидаемому масштабированию . Были некоторые ранние сомнения по этому поводу; единственный прямой опыт с плазмой, из Манхэттенского проекта , предполагал, что скорость утечки была линейной с магнитным полем. Если бы эта диффузия Бома была правдой, практический термоядерный реактор, вероятно, был бы невозможен. [4] [5]
Из множества ранних концепций конструкций реакторов на первый план вышли три системы: магнитное зеркало , z-пинч и стелларатор . Ранние примеры показали, что они могут ограничивать плазму до уровня, ожидаемого от небольшой машины. Исключением был пинч, который продемонстрировал очевидные нестабильности, которые были устранены с помощью новых магнитов. Эти ранние устройства привели к более крупным и мощным версиям этих же самых концепций. Они неизменно не смогли улучшить удержание плазмы, вызывая утечку топлива с неустойчивой скоростью. Исследования привели к нескольким вновь обнаруженным нестабильностям, которые, казалось, были неотъемлемой частью всех этих конструкций. [4]
На первой международной встрече по термоядерному синтезу в 1958 году стало ясно, что все устройства страдают от этих проблем. К началу 1960-х годов вся область погрузилась в то, что стало известно как «упадок сил». Даже Лайман Спитцер , один из величайших сторонников термоядерного синтеза, пришел к выводу, что диффузия Бома, по-видимому, является фундаментальным ограничением. [4]
На аналогичной встрече в 1965 году в недавно открытом Центре термоядерной энергии Калхэма в Великобритании советская группа представила предварительные результаты по устройству, которое они назвали токамаком . Физически это было очень похоже на концепцию z-пинча, которая была широко разработана в Великобритании в устройстве ZETA и оказалась не более полезной, чем другие ранние системы, страдающие от нестабильности. Напротив, Советы утверждали, что их, казалось бы, незначительная вариация ZETA дает значительно лучшие результаты, примерно в 10 раз превышающие предел Бома. Их заявления были отвергнуты сразу, особенно Спитцером. [6]
На следующей встрече в 1968 году в Новосибирске Советы представили гораздо больше данных, и все они продемонстрировали, что их машины обеспечивали время удержания от 10 до 100 раз лучше, чем любое другое устройство. И снова эти результаты были встречены скептицизмом. [7] Однако на этот раз Советы были готовы. Британская команда, работающая над ZETA, представила новую диагностическую технику с использованием лазеров , которую Лев Арцимович назвал «блестящей». Он пригласил британскую команду в свою лабораторию, сердце советского предприятия по производству бомб, чтобы провести собственные измерения. [8] К лету 1969 года лазер показал, что токамак даже лучше, чем предполагали советские результаты. [9] Они позвонили на встречу американских исследователей термоядерного синтеза в августе [10] и сообщили им эту новость до того, как она была обнародована в ноябре. [11]
Сначала в США было мало движения, так как у каждой из лабораторий был свой собственный проект, который они считали более интересным. Директора программы термоядерного синтеза в Комиссии по атомной энергии (AEC) были заинтересованы, по крайней мере, в подтверждении или опровержении советских результатов, но обнаружили, что лаборатории не заинтересованы в такой работе. В частности, AEC считала, что будет легко преобразовать стелларатор Принстона Model C в токамак, но директор лаборатории Гарольд Фёрт отказался даже рассматривать это, сразу же отвергнув советские заявления. [12] Только Национальная лаборатория Оук-Ридж проявила интерес; у них не было других крупномасштабных устройств в планах, и они были открыты для того, чтобы попробовать токамак. Как только были объявлены планы на этот счет, босс Фёрта Мелвин Б. Готтлиб поговорил с Фёртом за обедом. Они вернулись с обеда, чтобы рассказать, как преобразовать Model C. [9]
Конверсия началась в сентябре 1969 года и была завершена восемь месяцев спустя, когда ее переименовали в Симметричный Токамак. [13] Он немедленно подтвердил, а затем и превзошел советские результаты. Наконец, оказалось, что стабильная плазменная конфигурация возможна, и дорога к практической термоядерной энергии внезапно открылась. [14]
.jpg/1280px-HD.6B.701_(10348295326).jpg)
Успех в удержании плазмы в меньших машинах оставил много вопросов, на которые нужно было ответить. Один из них заключался в том, масштабировался ли токамак так, как ожидалось; для проверки этого требовалась более крупная машина с более высокими внутренними токами и магнитными полями. Другой вопрос заключался в том, как нагревать плазму; токамак не обладал значительным самонагревом, поэтому требовался какой-то внешний нагрев. [15] Наконец, требовалась некоторая система для извлечения примесей из плазмы, как из исходного нечистого топлива, так и из удаления «термоядерной золы», результатов успешных реакций (обычно гелия). [16]
Из трех проблем наиболее очевидной была экстракция примесей. Давно было понятно, что использование модифицированного масс-спектрометра позволит удалить более тяжелые ионы. Они были известны как диверторы , и стеллараторные устройства Принстона были одними из первых машин, которые их использовали. Стиль дивертора на стеллараторах не был идеальным для токамака, но Принстон уже решил эту проблему в рамках своей машины Floating Multipole-1, которая до токамака была одним из немногих других устройств, продемонстрировавших время удержания за пределами предела Бома. Чтобы проверить, будет ли их полоидальный дивертор работать в конфигурации токамака, начались планы по созданию новой небольшой машины, Poloidal Diverter Experiment, или PDX. [16]
Нагрев был еще одной проблемой, и было много разных идей о том, как это сделать. Стелларатор также не обладал способностью к самонагреву, и для решения этой проблемы Принстон проводил эксперименты с использованием ионно-циклотронного резонансного нагрева . Он использует мощные радиопередатчики, настроенные на частоту вращения ионов, нагревая их способом, аналогичным тому, как микроволновая печь нагревает молекулы воды. Поскольку эта технология была уже хорошо изучена, Принстон предложил небольшую испытательную машину, чтобы опробовать другой подход к нагреву с использованием сжатия плазмы, как и более ранние пинч-машины, в системе, известной как адиабатический тороидальный компрессор (АТК). Другие концепции включали использование турбулентности в плазме и впрыскивание горячих ионов в топливо с использованием небольших ускорителей частиц . [15]
Наконец, для проверки масштабирования потребовалась бы более крупная машина с гораздо более мощными магнитами и внутренними токами. Первоначально это было главной целью Princeton Large Torus, но были сделаны допущения, что новые формы нагрева могут быть добавлены к машине без серьезных нарушений. Проект был завершен в начале 1971 года, а строительство началось в том же году.
В первые дни программы у Oak Ridge не было собственной конструкции термоядерного синтеза, и вместо этого они сосредоточились на способах поддержания термоядерных машин в рабочем состоянии. Это привело к разработке серии небольших ускорителей частиц , которые выстреливали атомами топлива в плазму по одному за раз. Это также оказалось отличным способом нагрева плазмы, и Oak Ridge продолжили работу в этом направлении, используя зеркальные реакторы в течение 1960-х годов. [17] Когда были объявлены результаты советских исследований, они начали думать, как сделать то же самое с токамаком. Их ранние расчеты не были многообещающими, но визит Баса Пиза из британской лаборатории термоядерного синтеза в Калхэме убедил их продолжить этот подход. [18]
Пока PPPL обсуждала, стоит ли преобразовывать Model C в стелларатор, Oak Ridge предложил построить новый токамак, ORMAK. Он использовал новый способ генерации магнитного поля, чтобы сделать его более однородным, чтобы соответствовать или превзойти производительность советской машины TM-3. На втором этапе разработки они добавили бы нагрев нейтральным пучком. [18] Именно в этот момент, в июне 1970 года, симметричный токамак начал сообщать о первых результатах. Беспокоясь о своей избыточности, команда Oak Ridge решила адаптировать трансформаторную клетку ORMAK в качестве основы для гораздо большего токамака и немедленно добавить NBI. Их машина была завершена к концу 1970 года, но ввод ее в эксплуатацию занял большую часть 1971 года, и первые результаты по физике были получены только в начале 1972 года. К 1973 году машина работала достаточно хорошо, и лаборатория начала планировать включение инжекторов NBI. [18]
PPPL не желала отказываться от своего лидерского положения и быстро вынашивала план «захватить» Oak Ridge. Они отказались от техники компрессионного нагрева в ATC и быстро приспособили к ней маломощный NBI. Они продемонстрировали явные эффекты нагрева в 1973 году, до того, как системы NBI на ORMAK были введены в эксплуатацию. С этим успехом Oak Ridge начал терять популярность в Вашингтонском руководящем комитете. [19]
Примерно в это же время два советских теоретика опубликовали статью, описывающую тревожную новую проблему в концепции токамака — неустойчивость захваченных частиц. Это предполагало, что по мере того, как рабочие условия реактора приближаются к полезным показателям для машины, вырабатывающей энергию, они становятся более нестабильными и в конечном итоге выбрасывают свое топливо из реактора. [20] В 1975 году Эдвин Кинтнер , недавно назначенный Хиршем руководителем работ по термоядерному синтезу в AEC, решил, что это необходимо проверить немедленно. Он сказал Oak Ridge «продолжать работу» [20] и сказал PPPL добавить NBI в свой проект PLT. [20]
PLT строился с 1972 года и на тот момент был уже достаточно продвинут. Он был спроектирован с самого начала с достаточным пространством для добавления любой системы нагрева, поэтому спрос на NBI было не особенно трудно удовлетворить. Однако это было дорого, но Кинтнер предоставил дополнительное финансирование. [21] PLT теперь стал центром внимания большей части американского термоядерного истеблишмента, и его миссия состояла в том, чтобы «дать четкое указание на то, может ли концепция токамака плюс вспомогательный нагрев стать основой для будущего термоядерного реактора». [22]
PLT был объявлен работоспособным 20 декабря 1975 года. [22] Добавления NBI начались почти сразу, и первые два пучка были работоспособны к осени 1977 года. [23] Ранние испытания показали, что система не набирала температуру, как ожидалось. К счастью, это оказалось не из-за нестабильности захваченных частиц, никаких признаков которой не было обнаружено. Проблема была простой, наблюдавшейся во многих предыдущих машинах: примеси в топливе вызывали рентгеновское излучение, которое высасывало энергию из плазмы. Тем не менее, к декабрю два пучка работали при 1,1 МэВ и подняли температуру до 25 миллионов градусов. [24]
Источник примесей был быстро отслежен до устройства, известного как «ограничитель». В любой плазме частицы имеют диапазон скоростей, и более медленно движущиеся частицы не очень хорошо ограничены и в конечном итоге сталкиваются со стенками реактора. Когда это происходит, они выбивают атомы металла, которые отравляют плазму. Решение состоит в том, чтобы добавить небольшой пальцеобразный кусочек металла, который простирается от стенки до желаемой области плазмы. Когда эти более медленно движущиеся частицы начинают дрейфовать, они попадают в ограничитель до стенки и поглощаются. Идея состоит в том, чтобы использовать какой-то легкий материал для ограничителя, чтобы те атомы, которые выбиваются, не отравляли плазму в той же степени, но было обнаружено, что используемый алюминиевый материал не соответствует этому требованию. [24]
В 1978 году команда начала планировать добавить еще две линии NBI и заменить ограничитель новым материалом. В конечном итоге они выбрали графит , атомы углерода которого все еще могли бы расщепляться в плазму, но при этом вызывать гораздо меньше рентгеновских излучений. [24]
В январе новая администрация Картера пришла к власти и начала планировать реорганизацию различных ветвей власти в новое Министерство энергетики (DOE). Джеймс Шлезингер , возглавлявший AEC с 1971 по 1973 год во время ранних достижений токамака, вернулся, чтобы встать у руля нового отделения. Джон М. Дойч был назначен руководителем Управления энергетических исследований DOE и немедленно начал планировать сокращение его бюджета на 100 миллионов долларов. [25]
В ответ Кинтнер заявил, что исследования в области термоядерного синтеза имеют решающее значение и не должны быть прекращены без веской причины. Он предложил сформировать группу экспертов для углубленного изучения всей области. Получив добро, Кинтнер сумел устроить Джона С. Фостера-младшего во главе группы. Опубликованный в июне 1978 года «Заключительный отчет специальной экспертной группы по термоядерному синтезу» гласил, что «должен быть сохранен импульс», код для сохранения бюджета как есть. [26] Однако в нем также говорилось, что токамак, возможно, не является окончательной формой генератора термоядерного синтеза и что другим подходам, таким как магнитное зеркало , также следует дать время для созревания, чтобы они «могли поднять термоядерный синтез на самый высокий уровень». [27]
Фюрт из PPPL не был впечатлен, предположив, что это будет оправданием бездействия. Но у него был план сделать их предложения спорными. К этому времени, в июле 1978 года, PLT завершил установку еще двух пучков NBI, а также водоохлаждаемого графитового ограничителя. Вскоре они подняли мощность NBI до 2 МВт при 4 кВ, что дало температуру плазмы 45 миллионов градусов. Это было в области, где должны были возникнуть проблемы с захваченными частицами. И снова не было никаких намеков на это. [28]
Ночью 24 июля они подняли систему до 5,5 кВ, достигнув 60 миллионов градусов. Это стало важной вехой в программе термоядерного синтеза; PLT продемонстрировал, что можно создать токамак, который может удерживать свою плазму достаточно долго, чтобы нагреть ее до температур, необходимых в практическом реакторе. Плотность плазмы должна быть выше в производственной машине, но PLT соответствовал всем остальным требованиям. [28]
Значимость результата была очевидна не только для физики, но и для продолжающихся усилий в Вашингтоне; Дойч готовил свой отчет по предложениям группы Фостера, и этот результат имел бы огромную положительную выгоду. [29] Кинтер в то время был в отпуске со своей семьей, и когда они вернулись в свой отель в Стоу на следующий день, клерк сказал им, что от Готтлиба ждет ряд срочных сообщений. Кинтер и Готтлиб согласились, что новости следует сохранить для следующей встречи по слиянию, которая должна была состояться в Инсбруке осенью. [30]
Как и в случае с ZETA и оригинальными токамаками, новости были слишком хороши, чтобы их держать в тайне, и история начала появляться в других лабораториях термоядерного синтеза в течение нескольких дней. 31 июля Energy News опубликовала короткую статью на первой странице, в которой говорилось о «постоянных сообщениях о крупном прорыве», что побудило DOE запланировать пресс-релиз на 15 августа, а не ждать до Инсбрука. [30]
Моррис Левитт, редактор журнала Fusion , позвонил Готтлибу 10 августа и получил указание подождать до пресс-релиза. Затем Левитт позвонил в DOE за подробностями и связался с кем-то, кто не знал о событиях, и ему сказали, что никакого пресс-релиза не будет. Это была серьезная ошибка; журнал Левитта был убежден, что существует заговор с целью уничтожить исследования в области термоядерного синтеза, и опровержение DOE послужило доказательством его подозрений. [31]
Левитт немедленно слил всю историю Дэйву Хессу из службы новостей Knight Ridder . Хесс начал следить и в конце концов добрался до Кинтера. После того, как его надавили на эту тему, Кинтер признал, что произошло что-то интересное, но отказался предоставить подробности. Это было приманкой для прессы, и история Хесса вышла на первой странице Miami Herald на следующий день, в субботу, 12 августа. [31]
То, что получилось в результате, теперь известно как «выходные PLT». Опубликованная в день, когда новостей было мало, история была подхвачена из пресс-ленты газетами по всему миру. В том числе Washington Post , и вскоре она оказалась на столах Дойча и Шлезингера. Ни один из них не хотел давать показания газетам, которые теперь требовали заявления от DOE. Эта задача в конечном итоге выпала Стивену О. Дину , одному из старших директоров Kinter, который появился в CBS News тем вечером. Сам Kinter в то время находился в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса и возвращался в Вашингтон тем вечером. Когда он ехал домой из аэропорта, он услышал историю по новостному радио WTOP . [31]
Джим Бишоп, пресс-секретарь DOE, был в ярости. Он обвинил Кинтнера в преднамеренной утечке истории с целью повлиять на предстоящие решения по ассигнованиям. Затем он позвонил Готтлибу, чтобы выдвинуть те же обвинения. Готтлиб заявил, что он все еще работает над первоначальным релизом от 15 августа и ничего не сказал прессе, но Бишоп не стал его слушать. Затем Готтлиб позвонил Уильяму Боуэну, президенту Принстона, и сказал ему, что если они не отменят атаку, он проведет свою собственную пресс-конференцию, а затем уйдет в отставку. Боуэн знал Шлезингера и позвонил ему, позже сказав Готтлибу, что все успокоится. [32]
Когда Кинтнер и Дин прибыли на работу в понедельник утром, их встретил Эрик Уиллис и сообщил, что их обоих увольняют; Шлезингер был убежден, что Кинтнер слил информацию, и Дин был рад усилить это сообщение на CBS. Накануне вечером вице-президент Уолтер Мондейл написал Шлезингеру, требуя подготовить меморандум о событиях, что еще больше усилило всеобщее напряжение. Затем Уиллис пошел и поговорил со Шлезингером и Дойчем, убедив их не увольнять их обоих, и в конечном итоге согласившись выпустить значительно смягченный пресс-релиз. [33]
Встреча состоялась позже тем же вечером, на ней присутствовало 75 репортеров. Дойч не позволил никому из DOE говорить и сообщил прессе, что это был обычный результат, который давно ожидался, и что многие другие энергетические программы также добились большого прогресса. Затем выступил Готтлиб и объяснил значимость результата и то, как скрывающаяся проблема с захваченными частицами оказалась несуществующей. В конце концов, все были довольны результатом. Кинтнер встретился со Шлезингером впервые только позже, когда Шлезингер успокоился; Кинтнер пообещал, что повторного выступления не будет, и они уладили свои разногласия. [34]
В течение следующей недели новости об успехе PLT распространились по всему миру. Даже «Правда» поздравила, заявив, что «было бы неправильно думать, что сторонники «холодной войны» берут верх повсюду. В эти дни также сообщаются новости совершенно иного типа... Ученые Принстонского университета достигли крупного успеха в области термоядерного синтеза. Им удалось получить температуру в 60 миллионов градусов по Цельсию в экспериментальном реакторе-токамаке. Это было достигнуто благодаря сотрудничеству с советскими учеными». [35]
Встреча в Инсбруке состоялась в последнюю неделю августа 1978 года. Роб Голдстон был выбран для презентации PLT и вооружился большим количеством экспериментальных результатов. Организаторы встречи устроили специальную сессию для его презентации, и его допрашивали ученые со всего мира. Два главных вопроса заключались в том, можно ли доверять результатам и измеряли ли они объемную температуру или только горячие точки. Голдстон показал результаты с четырех совершенно разных типов датчиков, все из которых давали одинаковый результат, и эти результаты продемонстрировали, что энергии действительно были максвелловскими, как и следовало ожидать от объемной температуры. [36]
В конце презентации русский физик Катерина Разумова подарила Голдстону вырезанную вручную жар-птицу , которая в славянском фольклоре принесла человечеству огонь от солнца. Готлиб поместил ее в комнате управления PLT, где она оставалась в течение многих лет. [36]
В сентябре Дойч представил свои рекомендации Конгрессу, основанные на отчетах Фостера. Он отверг призывы к запуску машины после TFTR и повторил призывы к продолжению работы зеркальной программы. Он призвал сохранить бюджет в том виде, в котором он был, с учетом роста стоимости жизни. План Шлезингера по сокращению бюджета на термоядерный синтез был мертв. [37]
Работа с пучками NBI продолжалась и в конечном итоге достигла 2,5 МВт для получения 75 миллионов градусов, событие, которое завершилось выпуском собственных футболок . [28]
Вскоре после этого PLT начал претерпевать ряд изменений для проверки новых концепций. В 1981 году он успешно создал ток в плазме, используя низкогибридные радиочастотные волны, а не ток, индуцированный трансформатором. Трансформаторы были простым способом индуцировать ток, но имели недостаток в том, что были импульсными устройствами. Для производственного токамака, работающего в течение нескольких минут за раз, потребовалась бы некоторая новая система для поддержания тока, текущего в плазме. Низкогибридная радиочастота делает это, посылая радиосигналы в плазму. [22]
PLT также добавил ионно-циклотронный радиочастотный нагрев и в 1984 году получил плазму температурой 60 миллионов градусов, используя только эту форму нагрева. [22]
Радиочастотный нагрев:
Медиа, связанные с Princeton Large Torus на Wikimedia Commons