stringtranslate.com

ДЖТ-60

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

По состоянию на 2018 год JT-60 является рекордсменом по наивысшей достигнутой ценности тройного продукта термоядерного синтеза :1,77 × 10 28  К · с · м −3 =1,53 × 10 21  кэВ ·с·м -3 . [4] [5] На сегодняшний день JT-60 является мировым рекордсменом по самой высокой когда-либо достигнутой ионной температуре (522 миллиона °C); этот рекорд побил машину TFTR в Принстоне в 1996 году .

Оригинальный дизайн

JT-60 был впервые разработан в 1970-х годах, в период повышенного интереса к ядерному синтезу со стороны крупных мировых держав. В частности, США , Великобритания и Япония были мотивированы отличными характеристиками советского Т-3 в 1968 году для дальнейшего продвижения в этой области. Японский научно-исследовательский институт атомной энергии (JAERI), ранее занимавшийся исследованиями ядерного деления с 1956 года, сосредоточил усилия на термоядерном синтезе.

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

В течение следующих двух десятилетий JET и JT-60 возглавили усилия по восстановлению производительности, первоначально ожидаемой от этих машин. За это время JT-60 претерпел серьезную модификацию JT-60U (что означает «модернизация») в марте 1991 года . [8] Это изменение привело к значительному улучшению характеристик плазмы.

ДЖТ-60У (Модернизация)

Основная цель модернизации JT-60U заключалась в «исследовании удержания энергии вблизи состояния безубыточности, [а] неиндуктивного управления током и физики горящей плазмы с дейтериевой плазмой». Для этого были заменены катушки полоидального поля и вакуумный сосуд. Строительство началось в ноябре 1989 года и было завершено в марте 1991 года. [9] Операции начались в июле. [10]

31 октября 1996 года JT-60У успешно достиг экстраполированной безубыточности с коэффициентом Q DT eq = 1,05 при2,8 МА . Другими словами, если бы гомогенное дейтериевое топливо теоретически было заменено смесью дейтерия и трития в соотношении 1:1 , реакция термоядерного синтеза создала бы выход энергии, в 1,05 раза превышающий энергию, использованную для запуска реакции. JT-60U не был оборудован для использования трития, поскольку это привело бы к значительным затратам и риску для безопасности.

В феврале 1997 года была начата модификация дивертора с открытой формы на полузакрытую W-образную для большего контроля частиц и примесей, которая позже была завершена в мае. [11] [12] [13] Эксперименты по моделированию выхлопа гелия в ИТЭР были оперативно проведены с модифицированным дивертором и прошли с большим успехом. В 1998 году модификация позволила JT-60U достичь экстраполированного коэффициента усиления термоядерной энергии Q DT eq = 1,25 при2,6 МА . [14] [15] [16]

В декабре 1998 года была завершена начатая в 1994 году модификация системы вакуумной откачки. В частности, двенадцать турбомолекулярных насосов с масляными подшипниками и четыре масляных роторно-вакуумных насоса были заменены турбомолекулярными насосами с магнитной подвеской и сухими вакуумными насосами. Модификация сократила потребление жидкого азота системой, существовавшей 15 лет назад, на две трети. [17]

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

В 2005 году в вакуумную камеру были установлены плитки из ферритной стали (ферромагнетика), чтобы исправить структуру магнитного поля и, следовательно, уменьшить потери быстрых ионов. [19] [20] JAEA использовало 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 постамента и оценки влияния топлива на структуру самоорганизации плазмы на JT-60U была установлена ​​система инжекции сверхзвукового молекулярного пучка (СМБИ). Система была разработана в результате сотрудничества Cadarache , CEA и JAEA. [21]

JT-60У прекратил эксплуатацию 29 августа 2008 г. [22]

ДЖТ-60СА

JT-60SA является преемником JT-60U и работает 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 завершилась в марте 2020 года. После крупного короткого замыкания во время комплексного ввода в эксплуатацию в марте 2021 года, вызвавшего необходимость длительного ремонта, 1 декабря 2023 года он был объявлен действующим. Общая стоимость его строительства оценивается в около € 560 000 000 с учетом инфляции. [24]

Сверхпроводящая магнитная система JT-60SA весом примерно 2600 коротких тонн (2400 т) включает в себя 18 D-образных катушек тороидального поля из ниобия и титана, центральный соленоид из ниобия и олова и 12 катушек равновесного поля.

История

Идея усовершенствованного токамака, токамака, использующего сверхпроводящие катушки, возникла в начале 1970-х годов в Принстоне. [ нужна цитата ] Идея казалась очень многообещающей, но не обошлась без проблем. Примерно в январе 1972 года инженеры JAERI предприняли попытку дальнейшего исследования этой идеи и попытки решить ее препятствия. [26] Эта инициатива развивалась параллельно с разработкой JT-60, [27] и к 1983-84 гг. было решено создать собственный экспериментальный реактор: FER (экспериментальный реактор термоядерного синтеза). [28]

Однако модернизация JT-60U в 1991 году продемонстрировала значительную гибкость мощностей и места сборки 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 статья, подробно описывающая сверхпроводящие свойства композитного провода Nb3Al и процесс его изготовления, была опубликована в журнале 16-й Международной конференции по криогенной инженерии/материалам. [30] Инженеры оценили потенциальное использование алюминида в 18 тороидальных катушках JT-60SU. [31]

Замыслы и намерения модификации менялись в течение следующего десятилетия, вплоть до февраля 2007 года, когда между Японией и Европейским сообществом по атомной энергии было подписано Соглашение о более широком подходе . [32] В нем программа «Спутниковый токамак» установила четкую и определенную цель для JT-60SA: действовать как небольшой ИТЭР. Таким образом, JT-60SA может дать возможность инженерам, собирающим и эксплуатирующим полномасштабный реактор в будущем, заглянуть в прошлое.

Планировалось, что JT-60 будет разобран, а затем модернизирован до JT-60SA путем добавления ниобий-титановых сверхпроводящих катушек к 2010 году. [4] [33] Предполагалось, что JT60SA сможет работать с плазмой той же формы, что и ИТЭР. [33] : 3.1.3  Центральный соленоид был разработан для использования ниобия-олова (из-за более высокого (9 Тл) поля). [33] : 3.3.1 

Сборка

Строительство токамака официально началось 28 января 2013 года со сборки криостатной основы, которая была доставлена ​​из Авилеса, Испания, в течение 75-дневного пути. [a] Это событие получило широкую огласку в местных и национальных новостях, и репортеры из 10 средств массовой информации смогли стать его свидетелями лично. [34]

Сборка вакуумного сосуда началась в мае 2014 года. Вакуумный сосуд был изготовлен в виде десяти секторов, некоторые из которых охватывали больший угол, чем другие (20°x1, 30°x2, 40°x7). Сектора нужно было устанавливать последовательно. 4 июня 2014 года были установлены два сектора из десяти. В ноябре 2014 года было установлено семь секторов. В январе 2015 года было установлено 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] и в марте 2021 года оно успешно достигло своего полного проектного тороидального поля с током 25,7 кА. [37]

Короткое замыкание

9 марта 2021 г. проводилось испытание возбуждения катушки равновесного поля № 1. 1 (EF1), когда ток катушки быстро увеличился, а затем внезапно стабилизировался . Реактор был благополучно остановлен в течение следующих нескольких минут, в течение которых давление в криостате возросло с10 × 10 −3  Па до7000 Па . Сразу же последовало расследование.

Инцидент, который стал известен как «инцидент с фидером EF1», был вызван серьезным коротким замыканием, возникшим из-за недостаточной изоляции выхода проводника провода обнаружения гашения. Образовавшаяся дуга повредила корпуса ЭФ1, вызвав утечку гелия в криостат.

В общей сложности 90 объектов требовали ремонта и переподключения датчиков машин. Однако сложный JT-60SA был спроектирован и собран с невероятной точностью, поэтому доступ к машине иногда был ограничен. Риск дальнейшей задержки операций с плазмой усугубил проблему. [38]

Команда JT-60SA была разочарована инцидентом, учитывая, насколько близка была машина к работе, но продолжала работать.

Ремонт завершился в мае 2023 года и началась подготовка к эксплуатации. [39]

Текущие операции

JT-60SA впервые получил плазму 23 октября 2023 года, что сделало 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 означает JT-60, 60U означает JT-60U, 60SA означает JT-60SA) («60SA I» относится к начальной/комплексной фазе исследований JT-60SA, «60SA II» относится к расширенной фазе исследований )

Примечания

  1. ^ Корабль IYO ( номер ИМО : 9300879) следовал через Панамский канал.

Рекомендации

  1. ^ ab «Первая плазма 23 октября». JT-60SA . 24 октября 2023 года. Архивировано из оригинала 27 октября 2023 года . Проверено 15 ноября 2023 г.
  2. ^ «Что такое JT-60SA?». JT-60SA . Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 года . Проверено 15 ноября 2023 г.
  3. ^ "Институт Нака Фьюжн". www.naka.jaea.go.jp.​ Архивировано из оригинала 1 июля 2007 года . Проверено 14 января 2022 г.
  4. ^ ab "ДОМАШНЯЯ СТРАНИЦА JT-60" . Японское агентство по атомной энергии . Архивировано из оригинала 25 апреля 2021 года . Проверено 25 апреля 2021 г.
  5. ^ История эксплуатации JT-60 и прогресс в работе плазмы. Архивировано 23 февраля 2016 г. в Wayback Machine.
  6. ^ «Физика плазмы, обнаруженная в токамаке JT-60 за последние 20 лет» . Архивировано из оригинала 21 января 2021 г. Проверено 19 декабря 2020 г.
  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. ^ Институт термоядерного синтеза Нака (июнь 2008 г.). FUSION - Энергия будущего Земли (PDF) . Японское агентство по атомной энергии. п. 12. Архивировано (PDF) из оригинала 17 августа 2022 года . Проверено 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 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. ^ Нака-мати; Нака-гун; Ибараки-кен (1997). Годовой отчет с 1 апреля 1996 г. по 31 марта 1997 г. (PDF) (Отчет). Научно-исследовательский центр термоядерного синтеза Нака. п. 1. Архивировано (PDF) оригинала 16 января 2024 г. Проверено 26 января 2024 г. Строительство модификации дивертора с исходного открытого типа на W-образный полузакрытый тип для улучшения контроля частиц было начато в феврале 1997 года.
  12. ^ Нака-мати; Нака-гун; Ибараки-кен (1 октября 1998 г.). Годовой отчет Научно-исследовательского центра термоядерного синтеза Нака с 1 апреля 1997 г. по 31 марта 1998 г. (PDF) (Отчет). п. 1. Архивировано (PDF) из оригинала 16 января 2024 г. Проверено 26 января 2024 г. Строительство модификации дивертора с исходного открытого типа на W-образный полузакрытый тип для улучшения контроля частиц было завершено в мае 1997 года.
  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 22 октября 2023 г. Проверено 25 февраля 2024 г.
  14. ^ «JT-60U достигает 1,25 эквивалентного усиления термоядерной энергии» . 7 августа 1998 года. Архивировано из оригинала 6 января 2013 года . Проверено 5 декабря 2016 г.
  15. ^ Клери, Дэниел (29 июля 2014 г.). Часть Солнца: В поисках термоядерной энергии. Не обращайте внимания на прессу. ISBN 978-1-4683-1041-2. Архивировано из оригинала 25 февраля 2024 г. Проверено 2 февраля 2024 г.
  16. ^ «ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОБРАТНЫМИ СДВИГОВЫМИ РАЗРЯДАМИ JT-60U» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 9 марта 2017 г. Проверено 30 апреля 2017 г.
  17. ^ Годовой отчет Исследовательского центра термоядерного синтеза Нака с 1 апреля 1998 г. по 31 марта 1999 г. (PDF) (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 г. Проверено 30 января 2024 г.
  18. ^ Годовой отчет Исследовательского центра термоядерного синтеза Нака с 1 апреля 2003 г. по 31 марта 2004 г. (PDF) (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 г. Проверено 30 января 2024 г.
  19. ^ «Достижение длительного поддержания высокоудерживаемой плазмы высокого давления в JT-60 - большой шаг к расширенному горению в ИТЭР с использованием ферритной стали -» (пресс-релиз). Японское агентство по атомной энергии . 9 мая 2006 г. Архивировано из оригинала 16 июня 2019 г. . Проверено 5 декабря 2016 г.
  20. ^ "Диаграммы ферромагнетика" . Архивировано из оригинала 24 января 2017 г. Проверено 16 февраля 2016 г.
  21. ^ Годовой 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. с. 18. Архивировано (PDF) из оригинала 30 января 2024 года . Проверено 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» . ИТЭР . Архивировано из оригинала 07 февраля 2024 г. Проверено 29 февраля 2024 г.
  24. ^ «JT-60SA официально является самым мощным токамаком» . Декабрь 2023 г. Архивировано из оригинала 21 февраля 2024 г. Проверено 21 февраля 2024 г.
  25. ^ JT-60SA - На пути к реализации термоядерной энергии (PDF) . Январь 2021. с. 3. Архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2022 г. Проверено 26 января 2024 г.
  26. ^ «Сверхпроводящие катушки для термоядерного реактора». Архивировано из оригинала 22 февраля 2024 г. Проверено 22 февраля 2024 г.
  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 по электротехнике и электронике; Общество наук о ядерной энергии и плазме IEEE, ред. (1993). 15-й симпозиум IEEE/NPSS по термоядерной технике: 11–15 октября 1993 г., Хайаннис, Массачусетс . Пискатауэй, Нью-Джерси: Сервисный центр IEEE. ISBN 978-0-7803-1412-2.
  30. ^ Харуяма, Т.; Мицуи, Такео; Ямафудзи, Каору (1997). Материалы 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: Эльзевир. 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. Главное управление энергетики. (2020). Более широкий подход: передовые исследования в области термоядерной энергии. ЛУ: Офис публикаций. дои : 10.2833/62030. ISBN 978-92-76-16659-7. Архивировано из оригинала 25 февраля 2024 г. Проверено 5 февраля 2024 г.
  33. ^ abc «Годовой отчет JAEA за 2006-2007 гг.» Архивировано из оригинала 6 января 2013 г. Проверено 16 февраля 2016 г. 3.1.3 Параметры машины: Вид JT-60SA с высоты птичьего полета показан на рис. I.3.1-1. Типовые параметры JT-60SA приведены в таблице I.3.1-1. Максимальный ток плазмы составляет 5,5 МА при относительно низком удлинении 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 продолжительностью плоской вершины 100 с будет возможна при общем доступном размахе магнитного потока 40 Вб. Система нагрева и возбуждения тока обеспечит инжекцию нейтрального пучка мощностью 34 МВт и ECRF 7 МВт. Мишень дивертора спроектирована с водяным охлаждением, чтобы выдерживать тепловые потоки до 15 МВт/м2 в течение длительного времени. Предполагаемый годовой нейтронный бюджет составляет 4x1021 нейтронов.много подробностей о JT-60SA в разделе 3
  34. ^ боевой (05 апреля 2013 г.). «JT-60SA: Начало сборки токамака». Слияние для энергии . Архивировано из оригинала 19 февраля 2024 г. Проверено 6 марта 2024 г.
  35. ^ «Введение в проект JT-60SA» . Японское агентство по атомной энергии . Архивировано из оригинала 5 марта 2016 года . Проверено 6 марта 2018 г.
  36. ^ «JT-60SA: завершено строительство крупнейшего в мире сверхпроводящего токамака!». Информационный бюллетень 113. Национальные институты квантовых и радиологических наук и технологий. Апрель 2020 г. Архивировано из оригинала 22 июня 2020 г. Проверено 21 июня 2020 г.
  37. ^ "03.02.2021 - JT-60SA успешно достигает своего полного проектного тороидального поля - JT-60SA" . Архивировано из оригинала 02 марта 2021 г. Проверено 19 марта 2021 г.
  38. ^ «Командный дух, устойчивость и адаптируемость — ключ к ремонту JT-60SA» . Слияние для энергии . 28 ноября 2022 года. Архивировано из оригинала 2 декабря 2023 года . Проверено 7 февраля 2024 г.
  39. ^ "Возобновление работ с вакуумной откачкой 30.05.2023" . JT-60SA . 5 июня 2023 года. Архивировано из оригинала 15 ноября 2023 года . Проверено 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 13 декабря 2023 г. Проверено 29 февраля 2024 г.
  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 25 февраля 2024 г. Проверено 25 февраля 2024 г.
  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}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  44. ^ Исида, С.; Барабаски, П.; Камада, Ю. (1 сентября 2011 г.). «Обзор проекта JT-60SA». Термоядерная реакция . 51 (9): 094018. Бибкод : 2011NucFu..51i4018I. дои : 10.1088/0029-5515/51/9/094018. ISSN  0029-5515. S2CID  122120186.

Внешние ссылки