핵융합의 역사

History of nuclear fusion
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핵융합의 역사는 20세기 초에 어떻게 별이 스스로 에너지를 공급하고 물질과 에너지의 본질에 대한 광범위한 연구를 포함시키는지에 대한 연구로 시작되었으며, 전쟁, 에너지 생산 및 로켓 추진으로 잠재적 응용 분야가 확장되었다.

초기 연구

1920년 영국의 물리학자 프란시스 윌리엄 애스턴은 수소 원자 4개에 해당하는 질량이 헬륨 원자 1개(He-4)의 질량보다 무겁다는 것을 발견했는데, 이는 수소 원자를 결합해 헬륨을 형성함으로써 순 에너지를 방출할 수 있다는 것을 암시한다.이것은 별들이 에너지를 생산할 수 있는 메커니즘의 첫 번째 힌트를 제공했다.1920년대 내내,[1][2] 아서 스탠리 에딩턴은 태양을 도는 주요 체계로서 양성자-양성자 연쇄 반응(PP 반응)의 주요 지지자가 되었다.양자 터널링은 1929년 Friedrich Hund에 의해 발견되었고, 곧이어 Robert Atkinson과 Fritz Houtermans는 작은 핵을 융합함으로써 많은 양의 에너지가 방출될 수 있다는 것을 보여주기 위해 측정된 질량의 광원소를 사용했다.

헨리 노리스 러셀은 헤르츠스프룽-러셀 도표에서 항성의 열이 전체 별에서 온 것이 아니라 뜨거운 중심에서 온다는 것을 암시한다고 관찰했다.에딩턴은 이를 이용해 핵이 약 4000만 K가 되어야 한다고 계산했다.이것은 논쟁거리가 되었다. 왜냐하면 그 값이 그 값의 약 3분의 1에서 2분의 1을 제시한 천문학적 관측치보다 훨씬 높기 때문이다.조지 가모프는 1928년에 [3]양자 터널링의 수학적 기초를 도입했다.1929년 앳킨슨과 후터만스는 별의 핵융합 속도를 최초로 추정했다.그들은 에딩턴의 [4]계산을 뒷받침하는, 이전에 믿었던 것보다 낮은 에너지에서 핵융합이 일어날 수 있다는 것을 보여주었다.

핵 실험은 캠브리지 대학의 어니스트 러더포드 캐번디시 연구소에서 존 콕크로프트와 어니스트 월튼이 만든 입자 가속기를 사용하기 시작했다.1932년 월튼은 가속기에서 나오는 양성자를 사용하여 리튬을 알파 [5]입자로 분할함으로써 최초의 인공 핵분열을 만들어냈다.가속기는 다양한 목표물에 중수소를 발사하는 데 사용되었다.Rutherford와 다른 사람들과 함께, Mark Oliphant는 인간에 의한 [6][7][8][9][10]융합의 첫 번째 사례인 헬륨-3 (헬리온)와 삼중수소 (트리톤)의 핵을 발견했다.

핵융합으로 인한 [11]중성자는 1933년에 처음 검출되었다.실험은 최대 60만 전자 볼트의 에너지에서 목표물을[12] 향해 양성자가 가속하는 것을 포함했다.

1939년 한스 베테가 검증한 이론은 태양의 중심핵에서 베타 붕괴와 양자 터널링이 양성자 중 하나를 중성자로 전환시켜 쌍중성자가 아닌 중수소를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주었다.그 후 중수소는 다른 반응을 통해 융합되어 에너지 출력을 더욱 증가시킬 것이다.이 연구로 베테는 1967년 노벨 [1][13][14]물리학상을 수상했다.

1938년에 Peter Thonemann은 핀치 장치에 대한 상세한 계획을 개발했지만,[15] 그의 논문을 위해 다른 작업을 하라는 지시를 받았다.

핵융합로 관련 특허는 1946년 영국[16] 원자력청에 의해 등록됐다.발명가들은 조지 파제트 톰슨과 모제스 블랙맨이었다.Z핀치 컨셉에 대한 자세한 검토는 이번이 처음이었다.1947년부터, 두 개의 영국 팀이 이 [1]개념을 바탕으로 실험을 수행했다.

1950년대

발화를 달성한 최초의 인공 장치는 아이비 마이크라는 코드네임으로 불리는 핵융합 장치의 이름은 아이비 마이크였다.
핀치 머신 내부의 플라즈마 초기 사진(임페리얼 칼리지 1950/1951)

최초의 성공적인 인공 핵융합 장치는 1951년 온실 항목 실험으로 실험한 핵분열 무기이다.최초의 진정한 핵융합 무기는 1952년의 아이비 마이크였고, 최초의 실제적인 예는 1954년의 캐슬 브라보였다.이 장치들은 핵분열 폭발에 의해 방출되는 에너지가 연료를 압축하고 가열하여 핵융합 반응을 일으킨다.핵융합은 중성자를 방출한다.이 중성자들은 주변의 핵분열 연료에 부딪혀 원자들이 정상적인 핵분열 과정보다 훨씬 더 빨리 분열되도록 한다.이것은 폭탄의 효과를 증가시켰다: 일반 핵분열 무기는 연료를 모두 사용하기 전에 스스로 분해된다; 핵융합/핵분열 무기는 연료를 낭비하지 않는다.

스텔라레이터

1949년 국외 거주자인 독일인 로널드 리히터는 1951년 긍정적인 결과를 발표하면서 아르헨티나에서 휴물 프로젝트를 제안했다.이것들은 가짜로 밝혀졌지만 다른 사람들의 관심을 불러일으켰다.Lyman Spitzer는 뜨거운 플라즈마를 가두는 것과 관련된 문제를 해결하기 위한 방법을 고민하기 시작했고, z-핀치의 노력도 모른 채 Stellarator를 만들었습니다.스피처는 미국 원자력위원회에 시험장치 제작을 위한 자금 지원을 신청했다.

이 기간 동안 제임스 L. z-pinch에 대해 영국 팀과 함께 일했던 Tuck은 LANL의 동료들에게 stellarator 컨셉을 소개하고 있었습니다.스피처의 투구를 들었을 때, 그는 자신의 소형 [1][17]기계인 아마이저트론을 만들기 위해 지원했다.

Spitzer의 아이디어는 자금 지원을 받았고 그는 Project Matterhorn에서 일하기 시작했다.그의 연구는 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소의 설립으로 이어졌다.Tuck은 LANL로 돌아와 자신의 기계를 만들기 위해 현지 자금을 마련했습니다.이때쯤 핀치 머신이 불안정성에 시달려 진도가 지연되고 있음이 분명했다.1953년, Tuck과 다른 사람들은 ZETA와 Sceptre [1]장치와 같은 두 번째 핀치 머신의 시리즈로 이어진 솔루션을 제안했습니다.

스피처의 첫 번째 기계인 'A'는 작동했지만, 그의 다음 기계인 'B'는 불안정성과 플라즈마 [18][19]누출로 고통을 받았다.

1954년 AEC 의장 루이스 스트라우스는 전기를 [20]"측정하기에는 너무 싸다"고 예측했다.스트라우스는 비밀스러운 셔우드 프로젝트의 일부인 핵융합 [21]에너지를 언급했을 가능성이 높았지만 그의 진술은 핵분열을 언급하는 것으로 해석되었다.AEC는 몇 달 전 의회에 핵분열에 관한 보다 현실적인 증언을 발표하면서 "비용은 낮출 수 있다"고 예측했다.[to]... 종래의 전원으로부터의 전기 요금과 거의 같습니다.."[22]

에드워드 텔러

1951년 로스앨러모스 국립연구소(LANL)의 에드워드 텔러와 스타니슬라프 울람은 열핵무기를 위한 텔러-울람 설계를 개발하여 수 메가톤 수율 핵융합 폭탄을 개발하였다.영국의 핵융합 작업은 클라우스 푸치 사건 이후에 기밀로 분류되었다.

1950년대 중반에는 퓨전 기계의 성능을 계산하는 데 사용된 이론적 도구가 실제 동작을 예측하지 못했습니다.기계들은 항상 예상보다 훨씬 높은 속도로 플라즈마를 누출했다.1954년, 에드워드 텔러는 프린스턴 총기 클럽에 핵융합 연구자들을 모았습니다.그는 이러한 문제점들을 지적하고 오목한 영역 내에 혈장을 가두는 모든 시스템은 교환 불안정성이라고 알려진 것 때문에 실패할 것이라고 제안했다.참석자들은 필드가 고무줄과 같으며, 전원이 켜질 때마다 플라스마를 방출하는 직선 구성으로 돌아가려고 시도했다고 그가 실제로 말한 것을 기억한다.그는 플라즈마를 예측할 수 있게 제한하는 유일한 방법은 볼록 장(cusp)[23]:118을 사용하는 것이라고 제안했다.

회의가 끝났을 때, 대부분의 연구원들은 텔러의 우려가 그들의 기기에 적용되지 않는 이유를 설명하는 논문을 발표했다.핀치 기계는 이러한 방식으로 자기장을 사용하지 않는 반면, 미러와 스텔라레이터 클래크는 다양한 해결책을 제안했습니다.그러나 곧이어 핀치 머신에 대한 Martin David Kruskal과 Martin Schwarzschild의 논문이 발표되었습니다.이것은, 이러한 디바이스의 불안정성이 [23]:118내재하고 있는 것을 증명합니다.

제타

가장 큰 "클래식" 핀치 장치는 1957년 영국에서 작동을 시작한 ZETA였다.그것의 이름은 ZEEP와 같이 종종 이름에 "제로 에너지"를 가지고 있던 작은 실험용 핵분열로를 이륙시킨 것이다.

1958년 초, 존 콕크로프트는 핵융합이 ZETA에서 이루어졌다고 발표했는데, 이 발표는 전 세계적으로 대서특필되었다.그는 미국 물리학자들의 우려를 일축했다.온도 측정 결과 핵융합에서 나온 중성자가 아닌 것으로 나타났지만, 미국의 실험에서는 곧 유사한 중성자가 생성되었다.ZETA 중성자는 나중에 초기 기계를 괴롭혔던 불안정성 과정의 다른 버전에서 나온 것으로 입증되었다.콕크로프트는 핵융합 주장을 철회해야만 했고, 몇 년 동안 이 분야 전체에 먹칠을 했고,[1] 제타 협정은 1968년에 끝났다.

실라

제어된 열핵융합을 달성하기 위한 첫 번째 [24][25][26]실험은 1958년 LANL의 실라 I을 사용하여 이루어졌다.실라 나는 중수소가 가득 들어 있는 1인치짜리 기계였다.전류가 실린더의 양옆으로 흘러내렸다.이 전류는 플라즈마를 고착시키는 자기장을 만들어 온도를 섭씨 1500만도까지 높였고, 원자가 융합되어 [27][24]중성자를 생성했다.셔우드 프로그램은 로스앨러모스에 있는 일련의 실라 기계를 후원했어요이 프로그램은 1952년 [28]1월에 5명의 연구원과 10만 달러의 미국 자금으로 시작되었습니다.1965년까지 총 2,100만 달러가 지출되었다.[citation needed]계산 결과 원자로를 생산하기 위해 확장할 수 없는 것으로 나타난 후 µ-핀치 접근법은 포기되었다.

토카막

1950-1951년 소련에서는 이고르 탐과 안드레이 사하로프가 토카막식 접근방식을 처음 논의했다.이 디자인에 대한 실험적인 연구는 1956년 모스크바 쿠르차토프 연구소에서 레프 아티모비치가 이끄는 소련 과학자 그룹에 의해 시작되었다.토카막은 기본적으로 저전력 핀치 장치와 저전력 스텔라레이터를 결합했다.이 개념은 입자가 원자로 내에서 특정 횟수만큼 궤도를 돌도록 필드를 결합하는 것으로, 오늘날에는 "안전 계수"로 알려져 있다.이러한 필드의 조합은 제한 시간과 밀도를 획기적으로 개선하여 기존 [1]장치보다 크게 개선되었습니다.

다른.

아이비 마이크, 1952년 최초의 열핵 무기

1951년 아이비 작전의 일부인 아이비 마이크는 액체 중수소를 사용하여 10.4 메가톤의 TNT를 생산하는 최초의 열핵 무기의 폭발이 되었다.Cousins and Ware는 영국에서 트로이덜 핀치 장치를 제작하여 핀치 장치의 플라즈마가 본질적으로 불안정하다는 것을 입증했습니다.1953년 소련은 RDS-6S 테스트(미국에서는 "Joe 4"로 코드명)를 실시하여 600kt의 핵분열/융합/핵분열("Layercake") 설계를 입증하였다.이고르 쿠르차토프는 소련이 핵융합 작업을 [29]하고 있다고 밝히며 하웰에서 핀치 장치로 연설을 했다.

일본, 프랑스, 스웨덴 모두 발전 추진 핵융합 연구 프로그램 시작

1956년 소련은 플라즈마 물리학에 관한 기사를 발표하기 시작했고, 미국과 영국은 이후 몇 년 동안 그 뒤를 따랐다.

Sceptre III z-pinch 플라즈마 컬럼은 300~400마이크로초 동안 안정 상태를 유지하여 이전 작업보다 크게 개선되었습니다.연구팀은 플라즈마가 구리보다 100배 정도 전기저항을 갖고 있어 500마이크로초 동안 200kA의 전류를 흐를 수 있다고 계산했다.

1960년대

1960년 John Nuckolls는 관성구속융합(ICF) 개념을 발표했다.같은 해에 도입된 이 레이저는 적합한 드라이버로 판명되었습니다.

1961년 소련은 역사상 가장 강력한 핵 무기인 50메가톤 차르 봄바를 시험했다.

스피처는 1963년 [30]프린스턴에서 주요 플라즈마 물리학 교재를 출판했다.그는 이상적인 가스 법칙을 취해서 이온화된 플라즈마에 적응시켰고 플라즈마를 모형화하는 데 사용되는 많은 기본 방정식을 개발했습니다.

레이저 융합은 1962년 LLNL의 과학자들에 의해 제안되었다.처음에, 레이저는 힘이 거의 없었다.레이저 핵융합(관성 핵융합) 연구는 1965년에 시작되었다.

1964년 세계 박람회에서 대중은 처음으로 핵융합 실험을 [31]했다.그 장치는 제너럴 일렉트릭의 세타 핀치였어이건 로스앨러모스에서 개발한 실라 기계랑 비슷해요

1960년대 중반까지 전 세계적으로 진보는 정체되어 있었다.모든 주요 설계들이 지속 불가능한 속도로 플라즈마를 잃고 있었습니다.LLNL에서 개발한 12빔 '4파이 레이저' 관성구속 융합은 지름 약 20cm의 가스 충전 표적실을 목표로 했다.

자기 거울은 1967년 리차드 F에 의해 처음 출판되었다. LLNL에 [32]투고 및 기타 다수.거울은 두 개의 큰 자석으로 구성되어 있어 그 안에 강한 장과 더 약하지만 연결된 장으로 이루어져 있었다.두 자석 사이의 영역에 도입된 플라즈마는 중앙의 더 강한 장에서 다시 튀어나올 것입니다.

A.D. 사하로프의 그룹은 최초의 토카막스를 만들었다.가장 성공적인 것은 T-3와 그 더 큰 버전 T-4이다. T-4는 1968년 노보시비르스크에서 시험되었고, 최초의 준안정 핵융합 [33]:90반응을 일으켰다.이 사실이 알려졌을 때, 국제사회는 회의적이었다.영국 팀이 T-3를 보기 위해 초청되었고, 소련의 주장을 확인했다.계획된 많은 장치들이 폐기되고 대신 토카막들이 도입되면서 활동이 폭발적으로 증가했습니다. C 모델 스텔라레이터는 많은 재설계 후 건설 중이었으며, 곧 대칭 토카막으로 [1]전환되었습니다.

진공관에 대한 그의 연구에서, Philo Farnsworth는 튜브에 전하가 축적되는 것을 관찰했다.1962년 판스워스는 플라즈마를 농축하고 [34]양성자를 융합하기 위해 양의 내부 케이지를 사용하는 디자인을 특허 취득했습니다.이 시간 동안, 로버트 L. Hirsch는 Farnsworth Television 연구소에 입사하여 Farnsworth-Hirsch Fusor가 된 것을 연구하기 시작했다.이 효과는 멀티팩터 [35]효과로 알려지게 되었다.Hirsch는 1966년에[36] 그 디자인에 특허를 냈고 1967년에 [37]그것을 출판했다.

실라 [38]IV를 사용한 LANL에서는 방전당 약 4000만℃의 플라즈마 온도와9 10개의 듀테론-중수소 융합 반응이 달성되었다.

1968년 소련은 T-3 토카막의 결과를 발표하면서 온도가 다른 어떤 장치보다 훨씬 높다고 주장했다.'컬럼 파이브'라는 별명을 가진 영국 팀이 결과를 확인했다.그 결과 프린스턴 그룹을 포함한 많은 다른 팀들이 스타레이터를 토카막으로 개조했다.

1970년대

시바 레이저, 1977년, 70년대에 제조된 최대 ICF 레이저 시스템
1979년 탠덤 미러 실험(TMX)

프린스턴이 모델 C의 스타레이터를 토코막으로 개조한 것은 소련에 필적하는 결과를 낳았다.마그네틱 보틀 문제에 대한 명백한 해결책을 수중에 두고, 플라즈마를 가열하기 위한 스케일링과 방법을 테스트하기 위한 대형 기계의 계획이 시작됩니다.

1972년, 존 너콜스는 핵융합 연쇄 반응인 [39]점화 개념을 개괄적으로 설명했습니다.핵융합 중에 만들어진 뜨거운 헬륨은 연료를 재가열하고 더 많은 반응을 일으킵니다.Nuckolls의 논문은 대대적인 개발 노력을 시작했다.LLNL은 1984년 아르고스, 사이클롭스, 야누스, 네오디뮴 도프 유리(Nd:glass) 레이저 롱패스, 시바 레이저, 10빔 노바 등을 포함한 레이저 시스템을 구축했다.노바는 1나노초 펄스 동안 120킬로줄의 적외선을 만들어 낼 것이다.

영국은 1976년에 [40]중앙 레이저 시설을 건설했다.

비원형 플라즈마, 내부 다이버터 및 리미터, 초전도 자석, [41]안정성이 향상된 소위 "H 모드" 섬에서의 작동을 포함하는 "고급 토카막" 개념이 등장했다.소형 토카막은 진공 [42][43]챔버 내부에 자석을 배치하고, 구형 토카막은 가능한 한 [44][45]단면이 작은 두 가지 디자인이 두드러지게 되었다.

1974년 J.B. Taylor는 ZETA를 다시 방문했고 실험 실행이 끝난 후 혈장이 짧은 안정기에 접어들었다는 것을 알게 되었다.그 결과 필드 핀치 개념이 반전되었습니다.1974년 5월 1일 KMS 핵융합회사(Kip Siegel에 의해 설립)는 세계 최초로 중수소-삼중수소 [46]펠릿에서 레이저 유도 핵융합을 달성했다.1961년 노벨상 수상자인 로버트 호프스타터가 개발한 중성자 민감 핵유제 검출기는 이 발견의 증거를 제공하기 위해 사용되었다.

관성 가두는 레이저로 얻을 수 있는 힘과 에너지 레벨의 진보는 1970년대 초반부터 극적으로 증가해 왔다.

대칭형 토카막의 후속 기종인 프린스턴 대형 토러스(PLT)는 소련 최고의 기계를 뛰어넘어 상업용 원자로에 필요한 온도 이상의 기록을 세웠다.얼마 지나지 않아 수익률을 목표로 자금을 지원받았습니다.

1970년대 중반 LANL에서 수행된 프로젝트 PACER는 지하 [47]:25공동 안에서 소형 수소 폭탄(융착 폭탄)을 폭발시킬 가능성을 조사했다.에너지원으로서, 그 시스템은 당시의 기술을 사용하여 작동할 수 있는 유일한 시스템이었다.그러나 경제성이 의심스러운 대규모 연속적인 핵폭탄 공급이 필요했다.

1976년,[48] 2개의 빔 Argus 레이저가 LLNL에서 작동하기 시작했다. 1977년, 20개의 빔 Shiva 레이저가 완성되어 10.2 킬로줄의 적외 에너지를 타겟에 전달할 수 있었다.2500만 달러의 가격에 축구장만한 크기의 시바는 최초의 [48]메가레이저였다.

1977년 버클리 클레어몬트 호텔에서 열린 워크숍에서 당시 에너지 연구개발국 관성융합국장이었던 마틴 스틱리 박사는 핵융합 에너지로 가는 길에 "쇼스토퍼가 없다"고 주장했다.

DOE는 프린스턴 설계 Tokamak Fusion Test Reactor(TFTR)와 중수소-삼중수소 연료로 작동해야 하는 과제를 선정했다.

LLNL의 20 빔 시바 레이저는 목표물에 10.2 킬로줄의 적외선 에너지를 전달할 수 있게 되었습니다.2500만 달러가 들었고 축구장을 거의 다 차지하고 있는 시바는 LLNL에서 최초의 "메가레이저"였다.

1980년대

마그네틱 미러는 여기에 표시된 야구 코일과 같이 고출력 복잡한 자기 설계를 필요로 하는 엔드 로스로 인해 어려움을 겪었습니다.
시바 프로젝트에서 재사용된 11월 대상 챔버(진단 장치가 방사상으로 돌출된 금속 구체)와 배경에 보이는 2개의 새로 구축된 레이저 체인.
1980년대 노바 레이저의 관성 구속 핵융합 폭발은 핵융합 발전의 핵심 동인이었다.

독일/미국 HIBALL 연구에서 [49]Garching은 RF 드라이버의 높은 반복률을 사용하여 챔버 캐비티 내부의 액체 리튬을 사용하여 4개의 원자로 챔버를 공급했습니다.1982년에 토카막스에서 고콘피네이션 모드(H-mode)가 발견되었다.

자기 거울

미국은 1970년대 후반과 1980년대 초에 자기 거울 프로그램에 자금을 지원했다.이 프로그램은 2X,[50]:273 Baseball I, Baseball II, Tandem Mirror 실험 및 업그레이드, Mirror Fusion Test Facility 및 MFTF-B를 포함한 일련의 자기 미러 장치를 만들었습니다.이 기계들은 1960년대 후반부터 1980년대 [51][52]중반까지 LLNL에서 제작 및 테스트되었다.최종 기계인 MFTF는 3억 7200만 달러가 들었고, 그 당시 LLNL [53]역사상 가장 비싼 프로젝트였습니다.1986년 2월 21일에 문을 열었고, 연방 [54]예산의 균형을 맞추기 위해 즉시 문을 닫았다고 한다.

레이저

레이저 융합의 진전: 1983년에, NovenTTE 레이저가 완성되었습니다.이듬해 12월에는 10빔 NOVA 레이저가 완성됐다.5년 후 NOVA는 1나노초 [55]펄스 동안 120킬로줄의 적외선을 생성했다.

연구는 빠른 전달 또는 빔의 부드러움에 초점을 맞춥니다.둘 다 에너지 균일성을 높이는 데 초점을 맞췄습니다.초기 문제 중 하나는 적외선 파장의 빛이 연료에 닿기 전에 에너지를 잃는 것이었다.로체스터 대학의 LLE에서 획기적인 발견이 이루어졌습니다.로체스터 과학자들은 적외선 레이저 광선을 자외선으로 바꾸기 위해 주파수 세 배 결정을 사용했다.

지저귀다

1985년 도나 스트릭랜드와[56] 제라르 모루는 "치핑"으로 레이저 펄스를 증폭하는 방법을 발명했다.이것은 단일 파장을 완전한 스펙트럼으로 변화시켰다.이 시스템은 각 파장에서 빔을 증폭시킨 다음 빔을 하나의 색으로 반전시켰습니다.차프 펄스 증폭은 NIF와 오메가 EP [57]시스템에 중요한 수단이 되었습니다.

LANL은 일련의 레이저 [58]설비를 구축했다.그 중에는 제미니, 헬리오스, 안타레스,[59][60] 오로라 등이 있었다.이 프로그램은 약 10억 [58]달러의 비용으로 90년대 초에 끝났다.

1987년 하세가와[61] 아키라는 쌍극자 자기장에서 변동은 에너지 손실 없이 플라즈마를 압축하는 경향이 있다는 것을 알아냈다.이 효과는 보이저 2호가 천왕성과 마주쳤을 때 찍은 데이터에서 확인되었습니다.이러한 관찰은 부유 쌍극자로 알려진 핵융합 접근법의 기초가 되었다.

토카막스에서, Tear Supra는 1983년부터 1988년까지 프랑스 [62]카다라슈에서 건설 중이었다.그것의 초전도 자석은 그것이 강한 영구 트로이덜 [63]자기장을 발생시킬 수 있게 했다.1988년에 혈장이 [64]처음 나왔어요

1983년에 JET는 최초의 플라즈마를 달성했습니다.1985년 일본의 토카막 JT-60이 최초의 플라즈마를 생산했다.1988년, T-15 a 소련제 토카막(tokamak)이 완성되었는데, 이는 (헬륨 냉각) 초전도 [65]자석을 최초로 사용한 것이다.

1998년 초전도 헬륨 냉각 코일을 장착한 T-15 소련제 토카막(tokamak)이 완성됐다.

구면토카막

1984년 Martin[66] Peng은 소형 Tokamak의 침식 문제를 피하면서 석면비를 크게 줄일 수 있는 자석 코일의 대체 배치를 제안했습니다. 즉, 구형 Tokamak입니다.그는 각각의 자석 코일을 따로 배선하는 대신 중앙에 하나의 큰 도체를 사용하고 이 도체의 반링으로 자석을 배선할 것을 제안했다.한때 원자로 중앙의 구멍을 통과하는 일련의 개별 고리였던 것이 하나의 기둥으로 줄어들어 석면비가 1.2까지 [67]:B247[68]:225낮아졌다.ST의 컨셉은 토카막 디자인의 큰 진보를 나타내는 것으로 보인다.이 제안은 미국의 핵융합 연구 예산이 대폭 적었던 시기에 나왔다.ORNL은 "Glidcop"이라고 불리는 고강도 구리 합금으로 만들어진 적합한 중앙 기둥을 개발하기 위한 자금을 제공받았습니다.하지만, 그들은 시승기를 만들 자금을 확보할 수 없었다.

ORNL에서 실패한 Peng은 다른 팀에게 이 컨셉에 대한 관심을 갖게 하고 테스트 머신을 만들기 위한 전 세계적인 노력을 시작했습니다.한 가지 방법은 스페로막 [68]:225변환입니다.펑의 주장은 영국 원자력청의 데릭 로빈슨의 관심을 끌었다.Robinson은 실험용 기계인 Small Tight Aspect Ratio Tokamak 또는 START를 만들기 위해 팀을 모아 약 10만 파운드의 장비를 확보했습니다. 기계의 부품은 이전 프로젝트에서 재활용된 반면, 다른 부품은 ORNL의 40keV 중성 빔 인젝터를 포함하여 다른 연구소에서 대여되었습니다. 건설은 1990년에 시작되어 가동되었습니다.d 1991년 [67]:111월.중성빔 인젝터를 사용하여 40%의 기록적인 베타(자기장 압력 대비 플라스마 압력)를 달성하였다.

반복하다

EURATOM, 일본, 소련 및 미국이 참여하는 국제핵실험로(ITER) 연합을 구성하고 개념 설계 과정을 시작한다.

1990년대

국립 점화 시설에서 사용하도록 설계된 금도금 홀라움 모형

1991년 JET의 예비 삼중수소 실험은 세계 최초로 핵융합 [69]전력의 통제 방출을 달성했다.

1992년, Physical Today는 국가 점화 시설을 [70]옹호하는 ICF의 현재 상태에 대한 로버트 맥코리의 개요를 발표했습니다.1995년 [71]존 린들(John Lindl)의 리뷰 기사에 이어 같은 요점을 밝혔다.이 기간 동안 표적 제조, 극저온 핸들링 시스템, 새로운 레이저 설계(NRL의 NIKE 레이저) 및 비행 분석기 시간 및 톰슨 산란을 포함한 개선된 진단 등 다양한 ICF 서브시스템이 개발되었습니다.이 작업은 일본의 NOVA 레이저 시스템, General Atomics, Laser Megajoule 및 GEKKO XII 시스템에서 수행되었습니다.NRL의 존 세시안이나 핵융합 전력 관련 단체의 로비와 이 작업을 통해 의회는 90년대 후반 NIF 프로젝트에 대한 자금 지원을 승인했다.

1992년 미국과 옛 소련 공화국들은 핵무기 실험을 중단했다.

1993년 PPPL의 TFTR은 50% 중수소와 50% 삼중수소를 실험했고, 결국 10 메가와트에 도달했다.

90년대 초에 퓨저와 폴리웰에 관한 이론과 실험 연구가 발표되었습니다.[72][73]이에 대해 MIT의 Todd Rider는 열역학적 평형 상태에 있는 모든 플라즈마 시스템이 근본적으로 제한적이라고 주장하며 이러한 [74]장치의 일반 모델을 개발했습니다.1995년 윌리엄 네빈스는 퓨저와 폴리웰 내부의 입자가 각운동량을 획득하여 고밀도의 핵이 저하될 것이라는 논평을[75] 발표했다.

1995년 위스콘신 대학 매디슨은 [76]HOMER로 알려진 대형 퓨저를 만들었다. 일리노이 대학의 조지 H. 마일리 박사는 중수소를[77][78] 이용해 중성자를 생산하는 소형 퓨저를 만들었고 퓨저 작동의 "별 모드"를 발견했다.당시 유럽에서는 다임러-크라이슬러와 NSD 퓨전에 의해 [79][80]IEC 소자가 상용 중성자원으로 개발되었다.

그 다음 해 Tear Supra는 능동적으로 냉각된 플라즈마 대면 [62][81]구성 요소에 의해 활성화된 2.3 MW의 낮은 하이브리드 주파수 파동(즉, 주입 및 추출 에너지 280 MJ)에 의해 거의 1 M암페어의 전류를 유도하지 않고 구동하여 2분 동안 플라즈마 지속 시간을 기록했습니다.

업그레이드된 Z-머신은 1998년 [82]8월에 일반에 공개되었다.주요 특성은 1800만 암페어 전류와 100나노초 [83]미만의 방전 시간이었다.이로 인해 대형 오일 탱크 내부에서 자기 펄스가 생성되어 라이너(텅스텐 [84]와이어 배열)에 부딪혔습니다.Z-머신을 작동시키는 것은 높은 에너지, 높은 온도(20억 도) [85]상태를 테스트하는 방법이 되었습니다.1996년에.

1997년 JET은 16.1 MW(플라즈마 열량의[86] 65%)에 도달하여 10 MW 이상을 0.5초 이상 지속했습니다.2020년 현재 이는 기록적인 생산 수준을 유지하고 있다.4 메가와트의 알파 입자 자기 발열이 달성되었습니다.

ITER는 7자 컨소시엄(6개국과 EU)의 일환으로 공식 발표됐다.ITER는 입력 전력보다 10배 더 많은 퓨전 전력을 생산하도록 설계되었습니다.ITER는 Cadarache에 [87]배치되었다.미국은 1999년에 그 프로젝트에서 철수했다.

JT-60은 핵융합 계수 Q q {가 1.25인 역전단 플라즈마를 생성했다. 2021년 현재 이는 세계 기록으로 남아 있다.

90년대 후반, 콜롬비아 대학과 MIT의 팀은 접시 모양의 진공 [89]챔버에 [88]떠 있는 초전도 전자석으로 구성된 핵융합 장치인 부상 쌍극자를 개발했다.플라즈마가 이 도넛 주위를 소용돌이치며 중심축을 [90]따라 융합되었다.

1999년에 MAST는 START를 대체했습니다.

2000년대

1999년부터,[91][92][93][94][95] 여기에 나온 것과 같이, 많은 수의 아마추어들이 집에서 만든 퓨저를 사용하여 원자를 융합할 수 있게 되었다.
메가암페어 구형 토카막은 1999년 영국에서 운영되기 시작했다.

"고속 점화"[96][97]는 LLE가 2008년에 완성한 오메가 EP 시스템을 구축하기 위한 노력의 일환으로 90년대 말에 등장했다.고속 점화로 전력 절약이 현저하게 이루어졌고 ICF는 에너지 생산 경쟁에 뛰어들었습니다.HiPER 실험 시설은 고속 점화 전용이 되었습니다.

2001년 미국, 중국, 한국은 ITER에 가입했고 캐나다는 탈퇴했다.

2005년 4월, UCLA 팀은[98] "실험실에 딱 맞는" 기계를 사용하여 중수소를 융합하기에 충분한 전압을 생성하기 위해 탄탈산리튬을 사용하는 융접 방법을 발표했습니다.프로세스에서 순전력이 생성되지 않았습니다.

이듬해 중국의 EAST 원자로가 완성되었다.[99]이것은 초전도 자석을 사용하여 트로이덜 장과 폴로이드 장을 모두 생성한 최초의 토카막이었다.

2000년대 초, LANL 연구원들은 진동하는 플라즈마가 국소 열역학 평형에 도달할 수 있다고 주장했다.이로 인해 POPS 및 Penning 트랩 [100][101]설계가 촉진되었습니다.

2005년 NIF는 8개의 빔으로 이루어진 첫 번째 다발을 발사하여 지금까지 가장 강력한 레이저 펄스를 달성하였다 - 152.8 kJ(적외선).

MIT 연구원들은 여러 개의 내부 [103]케이지가 있는 퓨저를 사용하여 [102]우주 추진용 퓨저에 관심을 갖게 되었다.그렉 피에퍼는 피닉스 핵 연구소를 설립하고 퓨저를 의료용 동위원소 [104]생산을 위한 중성자원으로 개발했습니다.Robert Bussard는 2006년에 [105][106]폴리웰에 대해 공개적으로 말하기 시작했다.

2009년 3월에 NIF가 [107]가동되게 되었다.

2000년대 초 민간에서 지원하는 퓨전기업은 상업용 퓨전력을 [108]개발하기 위해 출범했다.1998년에 설립된 Tri Alpha Energy는 필드 역방향 구성 접근방식을 [109][110]탐색하는 것으로 시작되었습니다.2002년 캐나다 제너럴 퓨전(General Fusion)은 Magnetized Target Fusion([109][108]자기화 대상 융합)이라 불리는 하이브리드 자기 관성 접근법에 기초한 개념 증명 실험을 시작했습니다.투자자는 제프 베조스(제너럴퓨전)와 폴 앨런(트리알파에너지)[109]이었다.10년 말, 토카막 에너지는 [111]재접속을 이용하여 구형 토카막 장치를 탐사하기 시작했다.

2010년대

국립 점화 시설의 프리앰프입니다.2012년 NIF는 500테라와트 사격을 달성했다.
건설 중인 Wendelstein7X
스텔라레이터 설계의 예:코일 시스템(파란색)이 플라즈마(노란색)를 둘러싸고 있다.노란색 플라즈마 표면에는 자기장 선이 녹색으로 강조 표시됩니다.

민간 및 공공 연구는 2010년대에 가속화되었습니다.

개인 프로젝트

제너럴퓨전(General Fusion)은 플라즈마 인젝터 기술을 개발하고 트라이알파에너지는 C-2U 장치를 [112]구축해 가동했다.2014년 8월, 피닉스 원자력 연구소는 24시간 [113]동안 초당 5×1011 중수소 핵융합 반응을 지속할 수 있는 고속 중성자 발생기의 판매를 발표했다.

2014년 10월, 록히드 마틴의 스컹크 웍스는 고베타 핵융합로인 콤팩트 [114][115][116]핵융합로의 개발을 발표했다.당초 20t급 컨테이너급 유닛을 만드는 것이 콘셉트였지만 2018년 최소 [117]2000t급으로 인정했다.

2015년 1월, 폴리웰은 마이크로소프트 [118]리서치에 발표되었습니다.태테크놀로지는 노르만 원자로가 [119]플라즈마를 달성했다고 발표했다.

2017년에는 헬리온에너지의 5세대 플라즈마 머신이 가동되어 플라즈마 밀도 20T, 융접 [117]온도 달성을 목표로 하고 있다.ST40은 "첫 번째 플라즈마"[120]를 생성했다.

2018년에 Eni는 [121][122][123][124]MIT와 협력하여 테스트 원자로(SPARC)를 사용하여 ARC 기술을 상용화하기 위해 Commonwealth Fusion Systems에 5천만 달러의 투자를 발표했습니다.원자로는 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 고온 초전도 자석 기술을 사용할 계획이었다.2021년 커먼웰스 퓨전 시스템은 세계에서 가장 강한 고온 초전도 자석으로 20T 자석을 성공적으로 테스트했습니다.20T 마그넷에 이어 CFS는 개인 투자자로부터 18억달러를 조달했다.

General Fusion은 70% 규모의 데모 [68]시스템을 개발하기 시작했습니다.태테크놀로지의 원자로는 거의 20°[125]C에 도달했다.

정부 및 학술 프로젝트

2010년, NIF 연구진은,[126][127] 핵융합 연료에 의한 고에너지 점화 실험의 최적 목표 설계와 레이저 파라미터를 결정하기 위한 일련의 「튜닝」샷을 실시했다.2013년 [129][130]8월에 순수 에너지[128] 증가를 달성했습니다.

2014년 4월, LLNL은 Laser Inertial Fusion Energy(LIF; 레이저 관성 융합 에너지) 프로그램을 종료하고 NIF에 [131]대한 노력을 주도했다.

2012년 논문에 따르면 고밀도 플라즈마 초점은 붕소 융합에 충분한 섭씨 18억도의 온도를 달성했으며 핵융합 반응은 주로 순전력에 [132]필요한 포함된 플라스모이드 내에서 일어난다.

2014년 8월 MIT는 희토류 바륨-산화물(REBCO) 초전도 테이프를 사용하여 다른 [133]설계보다 작은 구성으로 동등한 자기장 강도를 생성했다고 주장하는 토카막 핵융합로를 발표했다.

지난 10월, 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소의 연구진은 지금까지 가장 큰 별자리인 웬델슈타인 7-X를 완성했다.12월에는 첫 헬륨 플라즈마를 생산했고, 2016년 2월에는 수소 [134]플라즈마를 생산했다.플라즈마 방전이 최대 30분 동안 지속된 상태에서 웬델스타인 7-X는 필수적인 스텔라레이터 특성인 고온 [135]플라즈마의 지속적인 작동을 시연하려고 시도했습니다.

2019년 영국은 에너지 생산을 [136][137]위한 구형 토카막(STEP)이라는 이름의 핵융합 시설을 2040년대 초까지 설계하기 위해 2억 파운드(2억4800만 달러)의 투자를 계획했다고 발표했습니다.

2014년 EAST는 개선된 열분산 덕분에 고콘피네이션 모드(H-mode)의 혈장 구속 시간 30초를 달성하였다.이는 다른 [138]원자로에 비해 규모 개선 순서였다.2017년에 원자로는 101.2초의 안정된 정상 상태 고감금 플라즈마를 달성하여 장기 펄스 H-모드 [139]운전에서 세계 기록을 세웠다.

2018년 MIT 과학자들은 더 크고 긴 다이버터를 [140]통해 소형 핵융합 원자로에서 과도한 열을 제거하는 이론적 방법을 공식화했다.

2020년대

Plot of NIF results from 2012 to 2021
2012년부터 2021년까지의 NIF 결과 플롯은 2021년 8월에 NIF에 대한 ICF 성능의 극적인 돌파구를 보여준다.

2020년 쉐브론사는 영국의 기업가이자 투자자인 벤자민 콘웨이가 워싱턴 [141]대학의 물리학자 브라이언 넬슨, 우리 썸락과 함께 설립한 신생 기업 Zap Energy에 대한 투자를 발표했다.2021년에는 [142]Addition이 주도하는 시리즈 B 자금 조달로 2,750만달러를 조달했다.

US DOE는 TAE Technologies, Princeton Fusion Systems, Tokamak [144]Energy와의 파트너십과 함께 [143]PPPL, MIT Plasma Science and Fusion Center 및 Commonwealth Fusion Systems의 파트너십을 포함한 민관 지식 공유 이니셔티브인 INFUSE 프로그램을 시작했습니다.2021년 DOE의 Fusion Energy Sciences Advisory Committee는 캐나다, 중국, 영국의 [148][149]노력과 유사하게 2040년까지 가동 중인 발전소를 포함하는 핵융합 에너지 및 플라즈마 물리학[145][146][147] 연구를 안내하는 전략적 계획을 승인했다.

2021년 1월, SuperOx는 700 A/mm2 이상의 전류 [150][151]용량을 가진 새로운 초전도 와이어의 상용화를 발표했습니다.

TAE테크놀로지는 노먼 기기가 30밀리초 동안 기존 기기보다 각각 8배와 10배 높은 약 6000만℃의 온도를 유지했다고 발표했다.지속시간은 디바이스가 아닌 전원장치에 의해 제한된다고 주장되었습니다.

2021년 8월 6일, 국립 점화 시설은 핵융합으로 생성된 1.3 메가줄의 에너지를 기록했습니다.이는 2022년 [152]봄에 2차 핵융합 반응을 일으키기 위해 핵융합 반응을 이용한 플라즈마 연소 사례의 첫 사례로 인증되었다.

중국의 실험용 핵융합로 HL-2M은 최초의 플라즈마 [153]방전을 달성했다.2021년 EAST는 120 M°C의 온도를 101초 동안, 160 M°C의 피크를 20초 [154]동안 유지하며 과열 플라즈마 세계 신기록을 수립했습니다.2021년 12월 EAST는 1,056초의 [156]고온(70M°C[155]) 플라즈마 세계 신기록을 수립했습니다.

2022년에 JET는 연료로 [157]중수소와 삼중수소의 혼합을 사용하여 5초 이상 11MW와 0.33의 Q 값을 유지하여 59.7 메가줄을 출력했다.

레퍼런스

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참고 문헌

외부 링크