Эксперименты, направленные на развитие термоядерной энергетики, неизменно проводятся с использованием специализированных установок, которые можно классифицировать в соответствии с принципами, используемыми для удержания плазменного топлива и поддержания его в горячем состоянии.
Основное разделение проводится между магнитным удержанием и инерционным удержанием . При магнитном удержании тенденция горячей плазмы к расширению противодействует силе Лоренца между токами в плазме и магнитными полями, создаваемыми внешними катушками. Плотности частиц, как правило, находятся в диапазоне10 18 к10 22 м −3 и линейными размерами в диапазоне0,1–10 м . Время удержания частиц и энергии может варьироваться от менее миллисекунды до более секунды, но сама конфигурация часто поддерживается посредством ввода частиц, энергии и тока в течение времени, которое в сотни или тысячи раз больше. Некоторые концепции способны поддерживать плазму бесконечно.
Напротив, при инерционном удержании нет ничего, что могло бы противодействовать расширению плазмы. Время удержания — это просто время, которое требуется давлению плазмы, чтобы преодолеть инерцию частиц , отсюда и название. Плотности, как правило, находятся в диапазоне10 31 в10 33 м −3 и радиус плазмы в диапазоне от 1 до 100 микрометров. Эти условия достигаются путем облучения твердой таблетки миллиметрового размера наносекундным лазерным или ионным импульсом. Внешний слой таблетки подвергается абляции , обеспечивая силу реакции, которая сжимает центральные 10% топлива в 10 или 20 раз до 10 3 или10 4 раз больше плотности твердого тела. Эти микроплазмы рассеиваются за время, измеряемое наносекундами. Для термоядерного реактора потребуется частота повторения в несколько раз в секунду.
Магнитное удержание
В области экспериментов по магнитному удержанию существует основное разделение на топологии тороидального и открытого магнитного поля . Вообще говоря, легче удерживать плазму в направлении, перпендикулярном полю, чем параллельно ему. Параллельное удержание можно решить либо путем изгиба линий поля обратно на себя в окружности или, что более распространено, тороидальные поверхности, либо путем сжатия пучка линий поля на обоих концах, что приводит к тому, что некоторые частицы отражаются зеркальным эффектом . Тороидальные геометрии можно далее подразделить в зависимости от того, имеет ли сама машина тороидальную геометрию, т. е. сплошное ядро через центр плазмы. Альтернативой является отказ от сплошного ядра и использование токов в плазме для создания тороидального поля.
Зеркальные машины имеют преимущества в более простой геометрии и лучшем потенциале для прямого преобразования энергии частиц в электричество. Обычно они требуют более сильных магнитных полей, чем тороидальные машины, но самой большой проблемой оказалось удержание. Для хорошего удержания должно быть больше частиц, движущихся перпендикулярно полю, чем движущихся параллельно полю. Однако такое немаксвелловское распределение скоростей очень трудно поддерживать и оно энергетически затратно.
Преимущество зеркал в виде простой геометрии машины сохраняется в машинах, которые производят компактные тороиды , но есть потенциальные недостатки для стабильности из-за отсутствия центрального проводника и, как правило, меньше возможностей контролировать (и, таким образом, оптимизировать) магнитную геометрию. Концепции компактных тороидов, как правило, менее хорошо разработаны, чем концепции тороидальных машин. Хотя это не обязательно означает, что они не могут работать лучше, чем основные концепции, неопределенность, связанная с этим, намного больше.
В некотором роде в отдельном классе находится Z-pinch , имеющий круговые линии поля. Это была одна из первых опробованных концепций, но она не оказалась очень успешной. Более того, никогда не было убедительной концепции превращения импульсной машины, требующей электродов, в практический реактор.
Плотный плазменный фокус — это спорное и «неосновное» устройство, которое использует токи в плазме для создания тороида. Это импульсное устройство, которое зависит от плазмы, которая не находится в равновесии, и имеет потенциал для прямого преобразования энергии частиц в электричество. Продолжаются эксперименты по проверке относительно новых теорий, чтобы определить, есть ли у устройства будущее.
Тороидальная машина
Тороидальные машины могут быть аксиально-симметричными, как токамак и пинч с обратным полем (RFP), или асимметричными, как стелларатор . Дополнительная степень свободы, полученная за счет отказа от тороидальной симметрии, в конечном итоге может быть использована для создания лучшего удержания, но цена этому — сложность в проектировании, теории и экспериментальной диагностике. Стеллараторы обычно имеют периодичность, например, пятикратную вращательную симметрию. RFP, несмотря на некоторые теоретические преимущества, такие как слабое магнитное поле в катушках, оказался не очень успешным.
ТМП ( Тор с Магнитным Полем , тор с магнитным полем): Фарфоровый тор с большим радиусом80 см , малый радиус13 см , тороидальное поле1,5 Т и плазменный ток0,25 МА , предшественник первого токамака (1955, СССР)
Z-FFR (Z(-pinch)-Fission-Fusion Reactor), гибридная машина ядерного синтеза и деления, которая будет построена в Чэнду, Китай, к 2025 году и начнет вырабатывать электроэнергию уже в 2028 году
^ abcdefghijkl Смирнов, вице-президент (30 декабря 2009 г.). «Основание токамака в СССР/России 1950–1990». Ядерный синтез . 50 (1): 014003. doi : 10.1088/0029-5515/50/1/014003 . eISSN 1741-4326. ISSN 0029-5515. S2CID 17487157.
^ «Пульсатор».
^ ab Taylor, RJ; Lee, P.; Luhmann, NC Jr (1981). ICRF-нагрев, перенос частиц и флуктуации в токамаках (PDF) (Отчет). Архивировано из оригинала (PDF) 2022-02-25.
^ Ардженти, Д.; Бониццони, Г.; Кирант, С.; Корти, С.; Гроссо, Г.; Лампис, Г.; Росси, Л.; Карретта, Ю.; Яккья, А.; Де Лука, Ф.; Фонтанези, М. (июнь 1981 г.). «Эксперимент в токамаке Тора». Иль Нуово Чименто Б. 63 (2): 471–486. Бибкод : 1981NCimB..63..471A. дои : 10.1007/BF02755093. eISSN 1826-9877. S2CID 123205206.
↑ Роберт Арну (18.05.2009). «Из России с любовью».
^ "Национальный комплекс термоядерного синтеза DIII-D (DIII-D) | Управление науки Министерства энергетики США (SC)". science.energy.gov . Получено 04.09.2018 .
^ "U of S". 2011-07-06. Архивировано из оригинала 2011-07-06.
^ "Отдел токамаков, Институт физики плазмы". 2014-05-12. Архивировано из оригинала 2014-05-12.
^ "КОМПАС – Общая информация". 2013-10-25. Архивировано из оригинала 2013-10-25.
^ . 2006-04-24 https://web.archive.org/web/20060424061102/http://www.fusion.org.uk/culham/start.htm. Архивировано из оригинала 2006-04-24.{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
^ "Эксперимент Глобус-М". globus.rinno.ru/ (на русском языке) . Получено 2021-10-23 .
^ "MAST – сферический токамак в UKAEA Culham". 2006-04-21. Архивировано из оригинала 2006-04-21.
^ "Страница токамака SST-1". 2014-06-20. Архивировано из оригинала 2014-06-20.
^ "EAST (сверхпроводящий токамак HT-7U)----Хэфэйский институт физических наук, Китайская академия наук". english.hf.cas.cn .
^ «Китайский экспериментальный термоядерный реактор «Искусственное Солнце» установил мировой рекорд по времени существования перегретой плазмы». The Nation . 29 мая 2021 г.
^ . 2008-05-30 https://web.archive.org/web/20080530221257/http://www.nfri.re.kr/. Архивировано из оригинала 2008-05-30.{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
^ Макфадден, Кристофер (29 марта 2024 г.). «Южнокорейское «искусственное солнце» достигает температуры, в 7 раз превышающей температуру ядра Солнца». Интересная инженерия . Получено 30 марта 2024 г.
^ . 2013-11-10 https://web.archive.org/web/20131110043518/http://www.triam.kyushu-u.ac.jp/QUEST_HP/quest_e.html. Архивировано из оригинала 2013-11-10.{{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
^ "Китай завершает строительство нового токамака". 29 ноября 2019 г.
^ "Проект JT-60SA". www.jt60sa.org .
^ "Зажженная плазма в токамаках – проект IGNITOR". frascati.enea.it . Архивировано из оригинала 2020-04-19.
^ "Зажигатель, проект восстановления итальянского ядерного оружия, è stato chiuso - Панорама" . www.panorama.it (на итальянском языке) . Проверено 28 июня 2024 г.
^ "Прорыв в технологии термоядерного синтеза: Китай представил первое коммерческое "искусственное солнце" (фото)". NEWS.am TECH - Инновации и наука . 20 июня 2024 г. Получено 22 июня 2024 г.
^ Харрис, Марк (4 октября 2023 г.). «Компании по климатическим технологиям, за которыми стоит следить в 2023 году: Содружество и его компактный токамак». MIT Technology Review . Получено 10 февраля 2024 г.
^ "SPARC в Центре плазменных наук и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института".
^ Често, Джон (03.03.2021). «Энергетический стартап MIT строит дома на термоядерной энергии, планирует построить участок площадью 47 акров в Девенсе». BostonGlobe.com . Получено 03.03.2021 .
^ Верма, Праншу. Ядерная термоядерная энергия становится все ближе к реальности. The Washington Post, 26 августа 2022 г.
^ "Новый испытательный центр токамака-дивертора" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2020-02-21 . Получено 2020-02-21 .
^ Антонелла (2024-06-12). "План исследований испытательного комплекса токамак-дивертор, версия 1.0". www.pubblicazioni.enea.it (на итальянском) . Получено 2024-06-28 .
^ Шринивасан, Р. (2016). «Проектирование и анализ термоядерного реактора SST-2». Fusion Engineering and Design . 112 : 240–243. Bibcode : 2016FusED.112..240S. doi : 10.1016/j.fusengdes.2015.12.044. ISSN 0920-3796.
^ "Прототип термоядерного синтеза Tokamak Energy будет построен в кампусе UKAEA". gov.uk . 2023-02-10.
^ "Новый усовершенствованный прототип термоядерного синтеза компании Tokamak Energy будет построен в кампусе UKAEA в Калхэме". tokamakenergy.com . 2023-02-10.
^ "Токамак построит демонстрационный термоядерный реактор в Калхэме". World Nuclear News . 2023-02-10.
^ Тобита, Кенджи; Хиватари, Рёдзи; Сакамото, Ёситеру; Сомея, Ёдзи; Асакура, Нобуюки; Уто, Хироясу; Миёси, Юя; Токунага, Синсуке; Хомма, Юки; Какудате, Сатоши; Накадзима, Нориёси; для Fusion DEMO, Объединенной специальной группы разработчиков (04.07.2019). «Усилия Японии по разработке концепции JA DEMO за последнее десятилетие». Наука и технология термоядерного синтеза . 75 (5): 372–383. Бибкод : 2019FuST...75..372T. дои : 10.1080/15361055.2019.1600931 . ISSN 1536-1055. S2CID 164357381.
^ Иваи, Ясунори; Эдао, Юки; Курата, Рие; Исобе, Канэцугу (01 мая 2021 г.). «Базовая концепция топливного цикла JA DEMO». Термоядерная инженерия и дизайн . 166 : 112261. Бибкод : 2021FusED.16612261I. doi : 10.1016/j.fusengdes.2021.112261. ISSN 0920-3796. S2CID 233566366.
^ Ким, К.; Им, К.; Ким, ХК; О, С.; Парк, Дж. С.; Квон, С.; Ли, Й. С.; Ём, Дж. Х.; Ли, К. (2015). «Концепция дизайна K-DEMO для ближайшей реализации». Nuclear Fusion . 55 (5): 053027. Bibcode : 2015NucFu..55e3027K. doi : 10.1088/0029-5515/55/5/053027 . ISSN 0029-5515.
^ Георгиевский, А. В.; Солодовченко, СИ; Войценя, В. С. (13 февраля 2010 г.). «Вклад «Сатурна» в современные исследования стелларатора-торсатрона». Journal of Fusion Energy . 29 (4): 399–406. Bibcode :2010JFuE...29..399G. doi :10.1007/s10894-010-9284-0. eISSN 1572-9591. ISSN 0164-0313. S2CID 123305093.
^ Георгиевский, А.В.; Супруненко, ВА; Сухомлин, Е.А. (май 1973 г.). «Односпиральный торсатронный аппарат «Винт-20» с трехмерной магнитной осью». Советская атомная энергия . 34 (5): 518–519. doi :10.1007/BF01163768. eISSN 1573-8205. ISSN 0038-531X. S2CID 94405830.
^ "QPS Home Page". Архивировано из оригинала 2016-04-24 . Получено 2018-09-01 .
^ http://qps.fed.ornl.gov/pvr/pdf/qpsentire.pdf
^ "HIDRA – Гибридное устройство Иллинойса для исследований и приложений | CPMI – Иллинойс". cpmi.illinois.edu .
^ "Vying Fusion Energy - V. Queral". www.fusionvic.org .
^ "Вендельштейн 7-X". ipp.mpg.de/w7x .
^ TM Qian, X. Chu, C. Pagano, D. Patch, MC Zarnstorff, B. Berlinger, D. Bishop, A. Chambliss, M. Haque, D. Seidita, C. Zhu (2023-10-31). "Проектирование и строительство стелларатора с постоянным магнитом MUSE". Журнал физики плазмы . 89 (5): 955890502. Bibcode : 2023JPlPh..89e9502Q. doi : 10.1017/S0022377823000880 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ КИНОШИТА, Сигэёси; ШИМИДЗУ, Акихиро; ОКАМУРА, Шоичи; ИЗОБЕ, Мицутака; СИОНГ, Гочжэнь; ЛИУ, Хайфэн; СЮ, Юйхун; Команда CQFS (2019-06-03). "Инженерное проектирование первого китайского квазиосесимметричного стелларатора (CFQS)". Plasma and Fusion Research . 14 : 3405097. Bibcode : 2019PFR....1405097K. doi : 10.1585/pfr.14.3405097 . ISSN 1880-6821.
^ «Введение в Gauss Fusion Initiative» (PDF) . 2022-12-08.
^ "CONSORZIO RFX - Ricerca Formazione Innovazione" . igi.cnr.it. Архивировано из оригинала 1 сентября 2009 г. Проверено 16 апреля 2018 г.
^ Hartog, Peter Den. "MST – UW Plasma Physics". plasma.physics.wisc.edu . Архивировано из оригинала 2019-03-13 . Получено 2013-02-28 .
^ Лю, Вандонг и др. (2017). «Обзор начальных результатов эксперимента Keda Torus». Nuclear Fusion . 57 (11): 116038. Bibcode : 2017NucFu..57k6038L. doi : 10.1088/1741-4326/aa7f21. ISSN 0029-5515. S2CID 116431906.
^ "Отчет 15 октября 2021 г." (PDF) . 2021-10-15. Архивировано (PDF) из оригинала 2021-10-25.
^ "Эксперимент с левитирующим диполем". 2004-08-23. Архивировано из оригинала 2004-08-23.
↑ Ф. Скоберн (июль 1967 г.). «Программа лазерного термоядерного синтеза в Лос-Аламосе» (PDF) .
^ "Исследования распространения пучка на Cyclops" (PDF) . Февраль 1976 г.
^ ab Danson, Colin N.; et al. (2021). «История исследований и разработок мощных лазеров в Соединенном Королевстве». High Power Laser Science and Engineering . 9. Bibcode : 2021HPLSE...9E..18D. doi : 10.1017/hpl.2021.5 . eISSN 2052-3289. hdl : 10044/1/89337 . ISSN 2095-4719. S2CID 233401354.
^ "CLF Знакомьтесь с лазерами CLF".
^ ab "РФЯЦ-ВНИИЭФ – Наука – Лазерная физика". 2005-04-06. Архивировано из оригинала 2005-04-06.
^ ab Hora, Heinrich; Miley, George H, ред. (1984). Laser Interaction and Related Plasma Phenomena . Springer US. doi :10.1007/978-1-4615-7332-6. ISBN978-1-4615-7334-0.
^ Шварцшильд, Бертрам М. (1984). «Эксперименты по термоядерному синтезу начались на Антаресе». Physics Today . 37 (9): 19. Bibcode : 1984PhT....37i..19S. doi : 10.1063/1.2916397.
^ Lehecka, T.; Bodner, S.; Deniz, AV; Mostovych, AN; Obenschain, SP; Pawley, CJ; Pronko, MS (декабрь 1991 г.). "Установка лазерного термоядерного синтеза NIKE KrF". Journal of Fusion Energy . 10 (4): 301–303. Bibcode : 1991JFuE...10..301L. doi : 10.1007/BF01052128. eISSN 1572-9591. ISSN 0164-0313. S2CID 122087249.
^ Obenschain, Stephen; Lehmberg, Robert; Kehne, David; Hegeler, Frank; Wolford, Matthew; Sethian, John; Weaver, James; Karasik, Max; et al. (19 августа 2015 г.). "Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерциального термоядерного синтеза". Applied Optics . 54 (31): F103-22. Bibcode :2015ApOpt..54F.103O. doi :10.1364/AO.54.00F103. eISSN 1539-4522. ISSN 0003-6935. PMID 26560597.
^ КЛЕРИ, ДАНИЭЛЬ (13 декабря 2022 г.). «С историческим взрывом, долгожданный прорыв в термоядерной энергии». www.science.org . Получено 14.12.2022 .
^ "CEA - Лазерный мегаджоуль" . www-lmj.cea.fr .
^ "Проект HiPER". Архивировано из оригинала 2022-12-23.
^ "Университет Невады, Рино. Тераваттный комплекс Невады". archive.is . 2000-09-19. Архивировано из оригинала 2000-09-19.
^ «Национальные лаборатории Сандия: Программы национальной безопасности». sandia.gov .