stringtranslate.com

JT-60

JT-60 (сокращение от Japan Torus-60 ) — крупный исследовательский токамак , флагман дирекции термоядерной энергии Японского национального института квантовой науки и технологий . По состоянию на 2023 год устройство известно как JT-60SA и является крупнейшим в мире действующим сверхпроводящим токамаком, [1] построенным и эксплуатируемым совместно Европейским союзом и Японией в Наке , префектура Ибараки . [2] [3] SA означает сверхсовременный токамак , включающий в себя D-образное плазменное поперечное сечение , сверхпроводящие катушки и активное управление с обратной связью.

По состоянию на 2018 год JT-60 удерживает рекорд по самому высокому значению достигнутого продукта тройной реакции синтеза :1,77 × 10 28  К · с · м −3 =1,53 × 10 21  кэВ · с · м −3 . [4] [5] На сегодняшний день JT-60 имеет мировой рекорд по самой высокой температуре ионов, когда-либо достигнутой (522 миллиона °C); этот рекорд был побит машиной TFTR в Принстоне в 1996 году. [6]

Оригинальный дизайн

JT-60 был впервые разработан в 1970-х годах в период возросшего интереса к ядерному синтезу со стороны крупнейших мировых держав. В частности, США , Великобритания и Япония были мотивированы превосходными характеристиками советского Т-3 в 1968 году для дальнейшего развития этой области. Японский институт атомной энергии (JAERI), ранее занимавшийся исследованиями деления с 1956 года, направил усилия на термоядерный синтез.

JT-60 начал работу 8 апреля 1985 года [7] и продемонстрировал производительность, значительно ниже прогнозируемой, как и TFTR и JET, которые начали работу незадолго до этого.

В течение следующих двух десятилетий JET и JT-60 возглавили усилия по восстановлению производительности, изначально ожидаемой от этих машин. В это время JT-60 претерпела серьезную модификацию, получив название JT-60U (для «модернизации») в марте 1991 года. [8] Изменение привело к значительному улучшению производительности плазмы.

JT-60U (модернизация)

Основной целью модернизации JT-60U было «исследование удержания энергии вблизи состояния безубыточности, [a] неиндуктивного тока привода и физики горящей плазмы с дейтериевой плазмой». Для достижения этого были заменены катушки полоидального поля и вакуумный сосуд. Строительство началось в ноябре 1989 года и было завершено в марте 1991 года. [9] Эксплуатация началась в июле. [10]

31 октября 1996 года JT-60U успешно достиг экстраполированной безубыточности с коэффициентом Q DT eq = 1,05 при2,8 МА . Другими словами, если бы однородное дейтериевое топливо было теоретически заменено смесью дейтерия и трития в соотношении 1:1 , реакция синтеза создала бы выход энергии в 1,05 раза больше энергии, использованной для начала реакции. JT-60U не был оборудован для использования трития, так как это добавило бы значительные затраты и риски безопасности.

В феврале 1997 года была начата модификация дивертора с формы открытого типа на полузакрытую W-образную форму для лучшего контроля частиц и примесей, которая была завершена в мае. [11] [12] [13] Эксперименты, имитирующие выхлоп гелия в ИТЭР, были оперативно выполнены с модифицированным дивертором с большим успехом. В 1998 году модификация позволила JT-60U достичь экстраполированного коэффициента усиления энергии термоядерного синтеза Q DT eq = 1,25 при2,6 МА . [14] [15] [16]

В декабре 1998 года была завершена модификация вакуумной насосной системы, начатая в 1994 году. В частности, двенадцать турбомолекулярных насосов с масляными подшипниками и четыре масляных роторных вакуумных насоса были заменены на магнитно-подвешенные турбомолекулярные насосы и сухие вакуумные насосы. Модернизация сократила потребление жидкого азота 15-летней системой на две трети. [17]

В 2003 финансовом году продолжительность плазменного разряда JT-60U была успешно увеличена с15 с до65 с . [18]

В 2005 году в вакуумной камере были установлены плитки из ферритной стали (ферромагнетика) для коррекции структуры магнитного поля и, следовательно, снижения потерь быстрых ионов. [19] [20] JAEA использовала новые детали в JT-60, улучшив его способность удерживать плазму в мощном тороидальном магнитном поле.

Где-то в 2007-2008 годах для контроля давления плазмы в области пьедестала и оценки влияния топлива на самоорганизацию структуры плазмы в JT-60U была установлена ​​система сверхзвуковой инжекции молекулярного пучка (SMBI). Проект системы был результатом сотрудничества Кадараша , CEA и JAEA. [21]

JT-60U завершил свою деятельность 29 августа 2008 года. [22]

JT-60SA

JT-60SA является преемником JT-60U, работающим в качестве спутника ИТЭР , как описано в Соглашении о более широком подходе. Это полностью сверхпроводящий токамак с гибкими компонентами, которые можно настраивать для поиска оптимизированных конфигураций плазмы и решения ключевых физических проблем. [23] Сборка началась в январе 2013 года и была завершена в марте 2020 года. После серьезного короткого замыкания во время комплексного ввода в эксплуатацию в марте 2021 года, которое потребовало длительного ремонта, он был объявлен активным 1 декабря 2023 года. Общая стоимость его строительства оценивается примерно в 560 000 000 евро с учетом инфляции. [24]

Весом примерно 2600 коротких тонн (2400 т) [25] сверхпроводящая магнитная система JT-60SA включает в себя 18 D-образных тороидальных катушек из ниобия-титана , центральный соленоид из ниобия-олова и 12 катушек равновесного поля.

История

Идея усовершенствованного токамака, токамака, использующего сверхпроводящие катушки, восходит к началу 1960-х годов. Идея казалась очень многообещающей, но не без проблем. Примерно в январе 1972 года инженеры JAERI инициировали попытку дальнейшего исследования идеи и попытались решить ее препятствия. [26] Эта инициатива развивалась параллельно с разработкой JT-60, [27] и к 1983-84 годам было решено, что она представляет собой собственный экспериментальный реактор: FER (Fusion Experimental Reactor). [28]

Однако модернизация JT-60U в 1991 году продемонстрировала значительную гибкость мощностей и сборочной площадки JT-60, поэтому к январю 1993 года FER был обозначен как модификация JT-60U и переименован в JT-60SU (от Super Upgrade). [29]

В январе 1996 года в журнале 16-й Международной конференции по криогенной технике и материалам была опубликована статья, в которой подробно описывались сверхпроводящие свойства композитного провода Nb3Al и процесс его изготовления. [30] Инженеры оценили потенциальное использование алюминида в 18 тороидальных катушках JT-60SU. [31]

Проекты и намерения по модификации менялись в течение следующего десятилетия, до февраля 2007 года, когда было подписано Соглашение о более широком подходе между Японией и Европейским сообществом по атомной энергии . [32] В нем Программа спутникового токамака установила четкую, определенную цель для JT-60SA: действовать как маломасштабный ИТЭР. Таким образом, JT-60SA мог бы дать инженерам ретроспективный взгляд на сборку и эксплуатацию полномасштабного реактора в будущем.

Планировалось разобрать JT-60 и затем модернизировать его до JT-60SA, добавив сверхпроводящие катушки из ниобия и титана к 2010 году. [4] [33] Предполагалось, что JT60SA сможет работать с плазмой той же формы, что и ITER. [33] : 3.1.3  Центральный соленоид был спроектирован с использованием ниобия-олова (из-за более сильного поля (9 Тл)). [33] : 3.3.1 

Сборка

Строительство токамака официально началось 28 января 2013 года со сборки основания криостата, которое было доставлено из Авилеса, Испания, за 75 дней путешествия. [a] Событие широко освещалось в местных и национальных новостях, и репортеры из 10 медиаорганизаций смогли стать его свидетелями лично. [34]

Сборка вакуумной камеры началась в мае 2014 года. Вакуумная камера была изготовлена ​​в виде десяти секторов с различными дугами (20°x1, 30°x2, 40°x7), которые должны были быть установлены последовательно. 4 июня 2014 года были установлены два из десяти секторов. В ноябре 2014 года были установлены семь секторов. В январе 2015 года были установлены девять секторов.

Строительство должно было продолжаться до 2020 года, а первая плазма была запланирована на сентябрь 2020 года. [35] Сборка была завершена 30 марта 2020 года, [36] а в марте 2021 года он успешно достиг своего полного проектного тороидального поля с током 25,7 кА. [37]

Короткое замыкание

9 марта 2021 года проводилось испытание возбуждения катушки на катушке равновесного поля № 1 (EF1), когда ток катушки быстро увеличивался, а затем внезапно выровнялся . Реактор был безопасно остановлен в течение следующих нескольких минут, в течение которых давление в криостате увеличилось с10 × 10−3 Па  в​7000 Па . Исследования последовали немедленно.

Инцидент, который стал известен как «инцидент с фидером EF1», был признан вызванным крупным коротким замыканием, возникшим из-за недостаточной изоляции выхода проводника датчика гашения. Образовавшаяся дуга повредила оболочки EF1, что привело к утечке гелия в криостат.

В общей сложности 90 мест требовали ремонта, а датчики машины нужно было перемонтировать. Однако сложная JT-60SA была спроектирована и собрана с большой точностью, что означало, что доступ к машине иногда был ограничен. Риски дальнейшей задержки плазменных операций усугубляли проблему. [38]

Команда JT-60SA была разочарована инцидентом, учитывая, насколько близко машина была к эксплуатации, но проявила выдержку.

Ремонтные работы были завершены в мае 2023 года и началась подготовка к эксплуатации. [39]

Текущие операции

JT-60SA получил первую плазму 23 октября 2023 года, что делает его крупнейшим действующим сверхпроводящим токамаком в мире по состоянию на 2024 год. [1] Реактор был объявлен активным 1 декабря 2023 года. [40]

Технические характеристики

(60 обозначает JT-60, 60U обозначает JT-60U, 60SA обозначает JT-60SA) («60SA I» относится к начальной/комплексной фазе исследований JT-60SA, «60SA II» относится к расширенной фазе исследований)

Примечания

  1. ^ Судно IYO ( номер ИМО : 9300879) прошло через Панамский канал.

Ссылки

  1. ^ ab "Первая плазма 23 октября". JT-60SA . 24 октября 2023 г. Архивировано из оригинала 27 октября 2023 г. Получено 15 ноября 2023 г.
  2. ^ "Что такое JT-60SA?". JT-60SA . Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 г. . Получено 15 ноября 2023 г. .
  3. ^ "Naka ​​Fusion Institute". www.naka.jaea.go.jp . Архивировано из оригинала 1 июля 2007 г. Получено 14 января 2022 г.
  4. ^ ab "JT-60 HOME PAGE". Japan Atomic Energy Agency . Архивировано из оригинала 25 апреля 2021 г. Получено 25 апреля 2021 г.
  5. ^ История эксплуатации JT-60 и прогресс в области плазменных характеристик. Архивировано 23 февраля 2016 г. на Wayback Machine.
  6. ^ "Физика плазмы, обнаруженная в токамаке JT-60 за последние 20 лет". Архивировано из оригинала 2021-01-21 . Получено 2020-12-19 .
  7. ^ 核融合研究センター (1986). Годовой отчет Центра термоядерных исследований за период с 1 апреля 1984 г. по 31 марта 1985 г. (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-m-85-205.
  8. ^ Naka Fusion Institute (июнь 2008 г.). FUSION - Future Energy of the Earth (PDF) . Japan Atomic Energy Agency. стр. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 17 августа 2022 г. . Получено 25 января 2024 г. .
  9. ^ 那珂研究所 (1991). Годовой отчет Исследовательского центра термоядерного синтеза Нака за период с 1 апреля 1990 г. по 31 марта 1991 г. (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-m-91-159.
  10. ^ 那珂研究所 (1992). Годовой отчет Научно-исследовательского центра термоядерного синтеза Нака за период с 1 апреля 1991 г. по 31 марта 1992 г. (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-m-92-159.
  11. ^ Naka-machi; Naka-gun; Ibaraki-ken (1997). Годовой отчет с 1 апреля 1996 г. по 31 марта 1997 г. (PDF) (Отчет). Naka Fusion Research Establishment. стр. 1. Архивировано (PDF) из оригинала 16 января 2024 г. . Получено 26 января 2024 г. Строительство для модификации дивертора с исходного открытого типа на W-образный полузакрытый тип для улучшения контроля частиц было начато в феврале 1997 г.
  12. ^ Naka-machi; Naka-gun; Ibaraki-ken (1 октября 1998 г.). Ежегодный отчет Naka Fusion Research Establishment с 1 апреля 1997 г. по 31 марта 1998 г. (PDF) (Отчет). стр. 1. Архивировано (PDF) из оригинала 16 января 2024 г. . Получено 26 января 2024 г. Строительство для модификации дивертора с первоначального открытого типа на W-образный полузакрытый тип для улучшения контроля частиц было завершено в мае 1997 г.
  13. ^ Ольгерд Думбрайс; Юкка Хейккинен; Сеппо Карттунен; Т. Кивиниеми; Таина Курки-Суонио; М. Манцинен; Тимо Пяттикангас; К.М. Рантамяки; Ральф Саломаа; Сеппо Сипиля (1997). Модификация локального профиля тока в токамак-реакторах в различных радиочастотных диапазонах. Публикация / Отдел научно-технической информации Международного агентства по атомной энергии. Вена: Международное агентство по атомной энергии МАГАТЭ. ISBN 978-92-0-103997-2. Архивировано из оригинала 2023-10-22 . Получено 2024-02-25 .
  14. ^ "JT-60U достигает 1,25 эквивалентного коэффициента усиления термоядерной энергии". 7 августа 1998 г. Архивировано из оригинала 6 января 2013 г. Получено 5 декабря 2016 г.
  15. ^ Клери, Дэниел (29 июля 2014 г.). Часть Солнца: Поиски термоядерной энергии. Overlook Press. ISBN 978-1-4683-1041-2. Архивировано из оригинала 2024-02-25 . Получено 2024-02-02 .
  16. ^ "HIGH PERFORMANCE EXPERIMEMENTS IN JT-60U REVERSED SHEAR DISCEARGS" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 2017-03-09 . Получено 2017-04-30 .
  17. ↑ Ежегодный отчет Naka Fusion Research Establishment с 1 апреля 1998 г. по 31 марта 1999 г. (PDF) (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 г. Получено 30 января 2024 г.
  18. ↑ Ежегодный отчет Naka Fusion Research Establishment с 1 апреля 2003 г. по 31 марта 2004 г. (PDF) (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 г. Получено 30 января 2024 г.
  19. ^ "Достижение длительного поддержания плазмы высокого давления с высокой степенью удержания в JT-60 - Большой шаг к расширенному горению в ITER с использованием ферритной стали -" (Пресс-релиз). Японское агентство по атомной энергии . 9 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 16 июня 2019 г. Получено 5 декабря 2016 г.
  20. ^ "ferromagnet diagrams". Архивировано из оригинала 2017-01-24 . Получено 2016-02-16 .
  21. ↑ Ежегодный отчет Управления исследований и разработок в области термоядерного синтеза JAEA с 1 апреля 2007 г. по 31 марта 2008 г. (PDF) (Отчет). 20 октября 1998 г. стр. 18. Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 г. Получено 30 января 2024 г.
  22. ^ 核融合研究開発部門 (2011). Годовой отчет Управления исследований и разработок в области термоядерного синтеза JAEA за 2008 и 2009 финансовые годы (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaea-review-2011-009.
  23. ^ "Соглашение о более широком подходе". ITER . Архивировано из оригинала 2024-02-07 . Получено 2024-02-29 .
  24. ^ "JT-60SA официально самый мощный токамак". Декабрь 2023 г. Архивировано из оригинала 21.02.2024 . Получено 21.02.2024 .
  25. ^ JT-60SA - На пути к реализации термоядерной энергии (PDF) . Январь 2021 г. стр. 3. Архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2022 г. Получено 26 января 2024 г.
  26. ^ "Сверхпроводящие катушки для термоядерного реактора". Архивировано из оригинала 2024-02-22 . Получено 2024-02-22 .
  27. ^ 核融合研究部 (1979),核融合研究部および大型トカマク開発部 年報; 昭和52年度, 日本原子力研究開発機構, doi : 10.11484/jaeri-m-8059
  28. ^ 臨界プラズマ研究部 (1986). 核融合実験炉(FER)概念設計; 昭和59年度、60年度 [Экспериментальный реактор ядерного синтеза (FER) Концептуальный проект; Сёва 59, 60] (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-m-86-134 .
  29. ^ Институт инженеров электротехники и электроники; IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society, ред. (1993). 15-й симпозиум IEEE/NPSS по термоядерной инженерии: 11–15 октября 1993 г., Хайаннис, Массачусетс . Пискатауэй, Нью-Джерси: IEEE Service Center. ISBN 978-0-7803-1412-2.
  30. ^ Харуяма, Т.; Мицуи, Такео; Ямафудзи, Каору (1997). Труды Шестнадцатой международной конференции по криогенной технике/Международной конференции по криогенным материалам: Китакюсю, Япония, 20-24 мая 1996 г. Международная конференция по криогенной технике, Международная конференция по криогенным материалам. Оксфорд: Elsevier. ISBN 978-0-08-042688-4.
  31. ^ 青柳, 哲雄 (1997). 定常炉心試験装置の設計研究,第5編; 電源設備 [Проектирование и исследование устройства для испытания сердечника постоянной печи, Часть 5; Оборудование электропитания] (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-research-97-010.
  32. ^ Европейская комиссия. Генеральный директорат по энергетике. (2020). Более широкий подход: передовые исследования в области термоядерной энергии. LU: Publications Office. doi : 10.2833/62030. ISBN 978-92-76-16659-7. Архивировано из оригинала 2024-02-25 . Получено 2024-02-05 .
  33. ^ abc "JAEA 2006-2007 annual report". Архивировано из оригинала 2013-01-06 . Получено 2016-02-16 . 3.1.3 Параметры машины: Вид JT-60SA с высоты птичьего полета показан на рис. I.3.1-1. Типичные параметры JT-60SA показаны в таблице I.3.1-1. Максимальный плазменный ток составляет 5,5 МА при относительно низком аспектном отношении плазмы (Rp = 3,06 м, A = 2,65, κ95 = 1,76, δ95 = 0,45) и 3,5 МА для плазмы в форме ИТЭР (Rp = 3,15 м, A = 3,1, κ95 = 1,69, δ95 = 0,36). Индуктивная работа с длительностью плоской вершины 100 с будет возможна в пределах общего доступного размаха потока 40 Вб. Система нагрева и тока будет обеспечивать 34 МВт инжекции нейтрального пучка и 7 МВт ECRF. Диверторная мишень спроектирована с возможностью водяного охлаждения для обработки тепловых потоков до 15 МВт/м2 в течение длительного времени. Годовой нейтронный бюджет составляет 4x1021 нейтроновмного подробностей о JT-60SA в разделе 3
  34. ^ martial (2013-04-05). "JT-60SA: Сборка токамака начинается". Fusion for Energy . Архивировано из оригинала 2024-02-19 . Получено 2024-03-06 .
  35. ^ "Введение в проект JT-60SA". Японское агентство по атомной энергии . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года . Получено 6 марта 2018 года .
  36. ^ "JT-60SA: Завершен крупнейший в мире сверхпроводящий токамак!". Информационный бюллетень 113. Национальные институты квантовой и радиологической науки и технологий. Апрель 2020 г. Архивировано из оригинала 22-06-2020 . Получено 21-06-2020 .
  37. ^ "02.03.2021 – JT-60SA успешно достигает своего полного проектного тороидального поля – JT-60SA". Архивировано из оригинала 2021-03-02 . Получено 2021-03-19 .
  38. ^ «Командный дух, устойчивость и адаптивность — ключ к ремонту JT-60SA». Fusion for Energy . 28 ноября 2022 г. Архивировано из оригинала 2 декабря 2023 г. Получено 7 февраля 2024 г.
  39. ^ "Операции возобновлены с вакуумной откачкой 30.05.2023". JT-60SA . 5 июня 2023 г. Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 г. Получено 15 ноября 2023 г.
  40. ^ "ЕС и Япония празднуют начало эксплуатации термоядерного реактора JT-60SA и подтверждают тесное сотрудничество в области термоядерной энергетики - Европейская комиссия". energy.ec.europa.eu . Архивировано из оригинала 2023-12-13 . Получено 2024-02-29 .
  41. ^ Хосогане, Н.; Ниномия, Х.; Мацукава, М.; Андо, Т.; Неятани, Ю.; Хориике, Х.; Сакурай, С.; Масаки, К.; Ямамото, М.; Кодама, К.; Сасадзима, Т.; Теракадо, Т.; Омори, С.; Омори, Ю.; Окано, Дж. (ноябрь 2002 г.). «Разработка и опыт эксплуатации токамака JT-60У и источников питания». Наука и технология термоядерного синтеза . 42 (2–3): 368–385. Бибкод : 2002FuST...42..368H. doi : 10.13182/FST02-A234. ISSN  1536-1055. S2CID  120683442. Архивировано из оригинала 2024-02-25 . Получено 2024-02-25 .
  42. ^ abc 核融合研究部 (1978). Годовой отчет Отдела исследований термоядерного синтеза и Отдела разработки крупных токамаков за период с 1 апреля 1976 г. по 31 марта 1977 г. (Отчет) (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaeri-m-7479.
  43. ^ 核融合研究開発部門 (2011). «Годовой отчет Управления исследований и разработок в области термоядерного синтеза JAEA за 2008 и 2009 финансовые годы» (на японском языке). 日本原子力研究開発機構. doi : 10.11484/jaea-review-2011-009. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  44. ^ Исида, С.; Барабаски, П.; Камада, Ю. (1 сентября 2011 г.). «Обзор проекта JT-60SA». Ядерный синтез . 51 (9): 094018. Бибкод : 2011NucFu..51i4018I. дои : 10.1088/0029-5515/51/9/094018. ISSN  0029-5515. S2CID  122120186.

Внешние ссылки