Лаборатория физики плазмы Принстона ( PPPL ) — национальная лаборатория Министерства энергетики США по физике плазмы и ядерной термоядерной науке. Ее основная миссия — исследование и разработка термоядерного синтеза как источника энергии . Она известна разработкой конструкций стелларатора и токамака , а также многочисленными фундаментальными достижениями в физике плазмы и исследованием многих других концепций удержания плазмы.
PPPL выросла из сверхсекретного проекта Холодной войны по контролю термоядерных реакций, названного Project Matterhorn . Основное внимание в этой программе было уделено не водородным бомбам, а термоядерной энергии 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, Project Matterhorn был переименован в Принстонскую лабораторию физики плазмы. [2]
Стеллараторы PPPL оказались неспособны достичь своих целей по производительности. В 1968 году заявления Советов о превосходной производительности их токамаков вызвали сильный скептицизм, и для его проверки стелларатор Model C PPPL был преобразован в токамак. Он подтвердил советские заявления, и с тех пор PPPL является мировым лидером в теории и проектировании токамаков, построив ряд рекордных машин, включая Princeton Large Torus , TFTR и многие другие. Десятки меньших машин были также построены для проверки конкретных проблем и решений, включая ATC, NSTX и LTX .
PPPL находится на территории кампуса Форрестал Принстонского университета в городке Плейнсборо , штат Нью-Джерси .
В 1950 году Джон Уиллер создавал секретную исследовательскую лабораторию водородной бомбы в Принстонском университете . Лайман Спитцер-младший , страстный альпинист, знал об этой программе и предложил название «Проект Маттерхорн». [3]
Спитцер, профессор астрономии, много лет занимался изучением очень горячих разреженных газов в межзвездном пространстве. Когда он уезжал кататься на лыжах в Аспен в феврале 1951 года, его отец позвонил ему и сказал, чтобы он прочитал первую страницу New York Times . В газете была статья о заявлениях, опубликованных накануне в Аргентине, о том, что относительно неизвестный немецкий ученый по имени Рональд Рихтер добился ядерного синтеза в своем проекте Huemul . [4] Спитцер в конечном итоге отверг эти заявления, и позже было доказано, что они ошибочны, но эта история заставила его задуматься о термоядерном синтезе. Во время поездки на подъемнике в Аспене он натолкнулся на новую концепцию ограничения плазмы на длительные периоды времени, чтобы ее можно было нагреть до температур термоядерного синтеза. Он назвал эту концепцию 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 о стеллараторе было профинансировано в 1951 году. Поскольку устройство должно было производить высокоэнергетические нейтроны , которые можно было бы использовать для воспроизводства оружейного топлива, программа была засекречена и осуществлялась как часть проекта Matterhorn. Matterhorn в конечном итоге прекратил свое участие в области бомбы в 1954 году, полностью посвятив себя области термоядерной энергетики.
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 повлияло на лабораторию, которая больше сосредоточилась на фундаментальных исследованиях. [5]
Ранние стеллараторы в форме восьмерки включали: Model-A, Model-B, Model-B2, Model-B3. [6] Model-B64 представляла собой квадрат с закругленными углами, а Model-B65 имела конфигурацию гоночной трассы. [6] Последним и самым мощным стелларатором в то время была «гоночная» Model C (работавшая с 1961 по 1969 год). [7]
К середине 1960-х годов стало ясно, что со стеллараторами что-то было в корне не так, поскольку они давали утечку топлива со скоростью, намного превышающей предсказываемую теорией, со скоростью, которая уносила энергию из плазмы, намного превосходящую ту, которую могли бы произвести реакции синтеза. Спитцер стал крайне скептически относиться к возможности получения энергии синтеза и выразил это мнение публично 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 отклонил как ошибку измерения.
На следующей встрече в 1968 году Советы представили значительные данные со 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 реальностью. Когда в 1969 году группа из Великобритании проверила результаты, AEC предложила PPPL преобразовать их Model C в токамак для его тестирования, поскольку единственной лаборатории, готовой построить его с нуля, Oak Ridge , потребовалось бы некоторое время, чтобы построить свой. Увидев возможность быть обойденной в области термоядерного синтеза, PPPL в конечном итоге согласилась преобразовать Model C в то, что стало симметричным токамаком (ST), быстро проверив подход.
За ST последовали две небольшие машины, исследующие способы нагрева плазмы, а затем Princeton Large Torus (PLT), чтобы проверить, верна ли теория о том, что более крупные машины будут более стабильными. Начиная с 1975 года, PLT проверила эти «законы масштабирования», а затем добавила инжекцию нейтрального пучка из Ок-Риджа, что привело к серии рекордных температур плазмы, в конечном итоге достигнув 78 миллионов кельвинов , что намного превышает то, что было необходимо для практической термоядерной энергетической системы. Его успех стал главной новостью.
С этой чередой успехов PPPL без труда выиграла тендер на строительство еще более крупной машины, специально разработанной для достижения «безубыточности» при работе на реальном термоядерном топливе, а не на испытательном газе. Это привело к созданию реактора для испытаний термоядерного синтеза Tokamak Fusion Test Reactor , или TFTR, который был завершен в 1982 году. После длительного периода обкатки TFTR начал медленно увеличивать температуру и плотность топлива, одновременно вводя в качестве топлива дейтериевый газ. В апреле 1986 года он продемонстрировал сочетание плотности и удержания, так называемый тройной продукт термоядерного синтеза , намного превосходящий то, что было необходимо для практического реактора. В июле он достиг температуры в 200 миллионов кельвинов, намного превосходя то, что было необходимо. Однако, когда система работала с обоими этими условиями одновременно, достаточно высоким тройным продуктом и температурой, система стала нестабильной. Три года усилий не смогли решить эти проблемы, и TFTR так и не достиг своей цели. [8] Система продолжала выполнять основные 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 беспрецедентные 10,7 мегаватт термоядерной энергии. [9]
В 1999 году в PPPL был запущен Национальный эксперимент со сферическим тором (NSTX), основанный на концепции сферического токамака.
Нечетный нагрев был продемонстрирован в эксперименте PFRC-1 радиусом 4 см в 2006 году. PFRC-2 имеет радиус плазмы 8 см. Исследования нагрева электронов в PFRC-2 достигли 500 эВ при длительности импульса 300 мс. [10]
В 2015 году PPPL завершила модернизацию NSTX для производства NSTX-U, что сделало его самой мощной экспериментальной термоядерной установкой, или токамаком, такого типа в мире. [11]
В 2017 году группа получила грант NIAC II фазы вместе с двумя STTR от NASA, финансирующими подсистему RF и подсистему сверхпроводящей катушки. [10]
В 2024 году лаборатория анонсировала MUSE, новый стелларатор . MUSE использует редкоземельные постоянные магниты с напряженностью поля, которая может превышать 1,2 тесла . Устройство использует квазиаксиальную симметрию, подтип квазисимметрии . Исследовательская группа заявила, что ее использование квазисимметрии было более сложным, чем у предыдущих устройств. [12] Также в 2024 году PPL анонсировала модель обучения с подкреплением , которая может прогнозировать нестабильности режима разрыва до 300 миллисекунд вперед. Этого времени достаточно, чтобы контроллер плазмы отрегулировал рабочие параметры, чтобы предотвратить разрыв и сохранить производительность режима H. [13] [14]
В 1961 году Готлиб стал первым директором переименованной Принстонской лаборатории физики плазмы. [15] [16]
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, установку Wendelstein 7-X (W7-X) в Германии и Международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР) во Франции. [22]
PPPL управляет деятельностью проекта ITER в США совместно с Национальной лабораторией Оук-Ридж и Национальной лабораторией Саванна-Ривер . Лаборатория поставила 75% компонентов для электрической сети эксперимента по термоядерной энергии в 2017 году и руководила проектированием и созданием шести диагностических инструментов для анализа плазмы ITER. Физик PPPL Ричард Гаврилюк занимал должность заместителя генерального директора ITER с 2011 по 2013 год. В 2022 году сотрудники PPPL в течение нескольких месяцев разрабатывали совместно с исследователями из других национальных лабораторий и университетов план исследований ITER в США в ходе совместного семинара по потребностям в исследованиях в области термоядерной энергии. [23]
Сотрудники применяют знания, полученные в ходе исследований термоядерного синтеза, в ряде теоретических и экспериментальных областей, включая материаловедение , физику солнца , химию и производство . PPPL также стремится ускорить развитие термоядерной энергетики посредством развития большего числа государственно-частных партнерств. [24] [25] [26]
Маршрут 3 компании Tiger Transit идет до кампуса Форрестол и заканчивается в PPPL.
Медиа, связанные с Принстонской лабораторией физики плазмы на Wikimedia Commons