National Compact Stellarator Experiment – Wikipedia

Das National Compact Stellarator Experiment, NCSX Kurz gesagt, es handelte sich um ein Experiment zur magnetischen Fusionsenergie, das auf dem am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) erstellten Stellarator-Design basiert.

NCSX war eines von mehreren neuen Stellarator-Designs aus den 1990er Jahren, die entstanden sind, nachdem Studien neue Geometrien illustriert hatten, die eine bessere Leistung boten als die einfacheren Maschinen der 1950er und 1960er Jahre. Im Vergleich zu den üblicheren Tokamaks waren diese viel schwieriger zu entwerfen und zu bauen, erzeugten jedoch ein weitaus stabileres Plasma, das Hauptproblem bei einer erfolgreichen Fusion.

Das Design erwies sich als zu schwierig zu bauen und überschritt wiederholt das Budget und die Zeitpläne. Das Projekt wurde schließlich am 22. Mai 2008 abgebrochen,[1] über 70 Millionen Dollar ausgegeben zu haben.[2]

Wendelstein 7-X untersucht viele der Konzepte, die NCSX beabsichtigt hat.

Geschichte[edit]

Frühe Stellaratoren[edit]

Stellaratoren sind eines der ersten Fusionskraftkonzepte, das ursprünglich 1952 vom Princeton-Astrophysiker Lyman Spitzer während der Fahrt mit den Sesselliften in Aspen entworfen wurde. In Anbetracht der Bewegung von Plasmen in den Sternen erkannte Spitzer, dass einfache Anordnungen von Magneten kein Plasma in einer Maschine einschließen würden – das Plasma würde über die Felder driften und schließlich auf das Gefäß treffen. Seine Lösung war einfach; Durch Biegen der Maschine um eine 180-Grad-Drehung, wobei anstelle eines Donuts eine Acht gebildet wird, befindet sich das Plasma abwechselnd auf der Innen- oder Außenseite des Gefäßes und driftet in entgegengesetzte Richtungen. Die Aufhebung der Nettodrift wäre nicht perfekt, aber auf dem Papier schien die Verzögerung der Driftraten mehr als ausreichend zu sein, damit das Plasma die Fusionsbedingungen erreichen konnte.

In der Praxis war dies nicht der Fall. Ein Problem, das bei allen Fusionsreaktorkonstruktionen dieser Zeit beobachtet wurde, war, dass die Plasmaionen viel schneller als die klassische Theorie vorhergesagt drifteten, hunderte bis tausendmal schneller. Entwürfe, die Stabilität in der Größenordnung von Sekunden nahelegten, wurden zu Maschinen, die bestenfalls für Mikrosekunden stabil waren. Mitte der 1960er Jahre schien das gesamte Fusionsenergiefeld ins Stocken geraten zu sein. Erst die Einführung des Tokamak-Designs im Jahr 1968 rettete das Feld. Sowjetische Maschinen zeigten eine um mindestens eine Größenordnung bessere Leistung als westliche Konstruktionen, obwohl sie immer noch weit hinter den praktischen Werten zurückblieben. Die Verbesserung war so dramatisch, dass die Arbeit an anderen Designs weitgehend endete, als Teams auf der ganzen Welt begannen, den Tokamak-Ansatz zu untersuchen. Dies beinhaltete die neuesten Stellarator-Designs; Das Modell C war erst kürzlich in Betrieb gegangen und wurde schnell in den symmetrischen Tokamak umgewandelt.

In den späten 1980er Jahren war klar, dass der Tokamak zwar ein großer Fortschritt war, aber auch neue Probleme mit sich brachte. Insbesondere der Plasmastrom, den der Tokamak zur Stabilisierung und Erwärmung verwendete, war selbst eine Quelle von Instabilitäten, als der Strom anstieg. Ein Großteil der folgenden 30 Jahre der Tokamak-Entwicklung konzentrierte sich auf Möglichkeiten, diesen Strom auf das Niveau zu erhöhen, das für die Aufrechterhaltung einer nützlichen Fusion erforderlich ist, während sichergestellt wird, dass derselbe Strom nicht zum Aufbrechen des Plasmas führt.

Kompakte Stellaratoren[edit]

Als das Ausmaß des Problems mit dem Tokamak offensichtlich wurde, begannen Fusionsteams auf der ganzen Welt, andere Designkonzepte neu zu betrachten. Unter einer Reihe von Ideen, die während dieses Prozesses festgestellt wurden, schien insbesondere der Stellarator eine Reihe potenzieller Änderungen zu haben, die seine Leistung erheblich verbessern würden.

Die Grundidee des Stellarators bestand darin, das Layout der Magnete zu verwenden, um eine baldige Drift auszugleichen, aber die einfachen Designs der 1950er Jahre taten dies nicht in dem erforderlichen Maße. Ein größeres Problem waren die Instabilitäten und Kollisionseffekte, die die Diffusionsraten stark erhöhten. In den 1980er Jahren wurde festgestellt, dass eine Möglichkeit zur Verbesserung der Tokamak-Leistung darin bestand, nicht kreisförmige Querschnitte für den Plasmaeinschlussbereich zu verwenden. Ionen, die sich in diesen ungleichmäßigen Bereichen bewegen, würden sich vermischen und die Bildung von Instabilitäten im großen Maßstab auflösen. Die Anwendung der gleichen Logik auf den Stellarator schien die gleichen Vorteile zu bieten. Da dem Stellarator jedoch der Plasmastrom fehlte oder ihn senkte, wäre das Plasma von Anfang an stabiler.

Wenn man das Magnetlayout berücksichtigt, das zur Erreichung beider Ziele erforderlich ist, einen verdrehten Pfad um den Umfang des Geräts sowie viele kleinere Drehungen und Mischungen auf dem Weg, wird das Design äußerst komplex und geht weit über die Fähigkeiten herkömmlicher Designwerkzeuge hinaus. Nur durch die Verwendung von massiv parallelen Computern konnten die Entwürfe eingehend untersucht und geeignete Magnetentwürfe erstellt werden. Das Ergebnis war ein sehr kompaktes Gerät mit einem geringen Aspektverhältnis, das außen deutlich kleiner als ein klassisches Design für ein bestimmtes Plasmavolumen ist. Niedrigere Seitenverhältnisse sind sehr wünschenswert, da sie es ermöglichen, dass eine Maschine mit einer bestimmten Leistung kleiner wird, was die Baukosten senkt.

In den späten 1990er Jahren hatten die Studien zu neuen Stellarator-Designs einen geeigneten Punkt für den Bau einer Maschine unter Verwendung dieser Konzepte erreicht. Im Vergleich zu den Stellaratoren der 1960er Jahre könnten die neuen Maschinen supraleitende Magnete für viel höhere Feldstärken verwenden, nur geringfügig größer als das Modell C sein, jedoch ein weitaus größeres Plasmavolumen aufweisen und eine Plasmafläche aufweisen, die von kreisförmig bis planar variiert zurück, während Sie mehrmals drehen.

NCSX-Design[edit]

Modulare Spulen und vorhergesagte Plasmaform
Plasmadetails
  • Hauptradius: 1,4 m, Seitenverhältnis: 4,4, [3]::3
  • Magnetfeld: 1,2 T – 1,7 T (Bis zu 2 T auf der Achse für 0,2 s[4])
  • quasi-achsensymmetrisches Feld, insgesamt 3 Feldperioden.[4] Strebt Beta> 0,04 an.[4]
Magnetspulen
  • 18 modulare Spulen (jeweils 6 der Typen A, B, C) aus gewickeltem Kupferdraht, gekühlt mit flüssigem Stickstoff (LN2),
  • 18 Ringspulen, massives Kupfer, gekühlt mit LN2,
  • 6 Paare poloidaler Feldspulen, massives Kupfer, gekühlt mit LN2,
  • 48 Trimmspulen.[3]::3

Die 18 modularen Spulen haben eine komplizierte 3D-Form, ~ 9 verschiedene Kurven in verschiedenen Ebenen. Einige der Spulen würden 15 Minuten benötigen, um zwischen hohem I wieder abzukühlen2t Plasma läuft.[5]::4

Plasmaerwärmung
Da dem Stellarator der Plasmastrom des Tokamaks als Heizform fehlt, wird das Plasma mit externen Geräten erwärmt. Bis zu 12 MW externe Heizleistung wären für die NCSX-Kammer verfügbar gewesen, bestehend aus 6 MW aus tangentialer Neutralstrahlinjektion und 6 MW aus Hochfrequenzheizung (im Wesentlichen einem Mikrowellenofen). Bis zu 3 MW Elektronenzyklotronheizung wären auch in zukünftigen Iterationen des Entwurfs verfügbar gewesen.

Die Gesamtkosten des Projekts belaufen sich auf 102 Mio. USD für den Fertigstellungstermin im Juli 2009.[1]

Erste Verträge im Jahr 2004 platziert.[4]

NCSX-Konstruktion[edit]

Aufbau einer modularen Spule für NCSX

Nachdem das Design weitgehend abgeschlossen war, begann die PPPL mit dem Bau einer solchen Maschine, der NCSX, die alle diese Konzepte testen sollte. Das Design verwendete achtzehn komplizierte Handaufzugsmagnete, die dann zu einer Maschine zusammengebaut werden mussten, bei der die maximale Abweichung von der perfekten Platzierung nicht mehr als 1,5 Millimeter (0,059 Zoll) über das gesamte Gerät betrug.[6] Das all dies umgebende Vakuumgefäß war ebenfalls sehr komplex, mit der zusätzlichen Komplikation, die gesamte Verkabelung zu führen, um die Magnete mit Strom zu versorgen.[7]

Die Montagetoleranzen waren sehr eng und erforderten den Einsatz von Messsystemen einschließlich Laser Tracker und Photogrammetriegeräten auf dem neuesten Stand der Technik. Es wurden zusätzliche Mittel in Höhe von 50 Mio. USD benötigt, die über die nächsten drei Jahre verteilt waren, um die Montage innerhalb der Toleranzanforderungen abzuschließen. Die Komponenten für den Stellarator wurden mit 3D-Laserscanning gemessen und untersucht, um Modelle in mehreren Phasen des Herstellungsprozesses zu entwerfen.[8]

Die erforderlichen Toleranzen konnten nicht erreicht werden; Beim Zusammenbau der Module wurde festgestellt, dass Teile in Kontakt waren, nach der Installation durchhingen und andere unerwartete Effekte die Ausrichtung sehr erschwerten.[citation needed] In das Design wurden Korrekturen eingearbeitet, aber jede verzögerte die Fertigstellung weiter und erforderte mehr Mittel.[citation needed] (Die Kostenschätzung für 2008 betrug 170 Mio. USD, die Fertigstellung ist für August 2013 geplant.)[1] Schließlich wurde eine Go / No-Go-Bedingung auferlegt, und als das Ziel nicht im Rahmen des Budgets erreicht wurde, wurde das Projekt abgebrochen.[1]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ ein b c d Zukunft des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), Erklärung von Dr. Raymond L. Orbach, Unterstaatssekretär für Wissenschaft und Direktor, Office of Science, US-Energieministerium, 22. Mai 2008
  2. ^ NCSX-Budgetbericht Dezember 2007
  3. ^ ein b [ncsx.pppl.gov/Metrology/NCSXDimControl_EllisSOFE_070615.ppt Dimensional Control for the National Compact Stellarator Experiment. Ellis et al. June 2007]
  4. ^ ein b c d Fortschritte im NCSX-Bau Reiersen et al. 2007
  5. ^ [ncsx.pppl.gov/NCSX_Engineering/Technical_Data/SDDs/PDR_SDDs/SDD_WBS4_C.doc Electrical Power Systems (WBS 4). 2003]
  6. ^ NCSX Modular Coil Fabrication „, PPPL, Zweiundzwanzigstes Symposium über Fusionstechnik, 2007
  7. ^ „Entwurf und Installation externer Flussschleifen des NCSX-Vakuumbehälters, PPPL, Zweiundzwanzigstes Symposium über Fusionstechnik, 2007
  8. ^ Fallstudie Archiviert 03.04.2010 an der Wayback-Maschine des US-Energieministeriums

Externe Links[edit]