JT-60

JT-60
이 기사는 토카막에 관한 것입니다. 학군은 마이애미-요더 학군 JT-60을 참조하십시오.
JT-60
일본 토러스-60
기기유형토카막
위치이바라키현 나카시
소속일본 원자력 기구
기술사양
주반경3.4 m (11 ft)
단반경1.0 m (3 ft 3 in)
플라즈마 부피90m3
자기장4T(40,000G)(토로이달)
배출기간65초
역사
가동연도1985–2010
선행후JFT-2M
성공한 사람JT-60SA
관련기기TFTR

JT-60(Japan Torus-60의 줄임말)은 이전에 일본 원자력 연구소(JAERI)가 운영하고 나중에 이바라키현 나카시에 있는 일본 원자력 기구(JAEA) 나카 핵융합 연구소가 운영하는 일본 자기 핵융합 프로그램의 주력인 토카막에 대한 대규모 연구입니다.[1] 2023년 현재 이 장치는 JT-60SA로 알려져 있으며, 현재까지 세계에서 가장 큰 규모의 운영 초전도 토카막이며,[2] 유럽연합과 일본이 공동으로 제작하여 운영하고 있습니다.[3] SA는 D자형 플라즈마 단면, 초전도 코일, 능동 피드백 제어를 포함한 초고도 토카막의 약자입니다.

2018년 기준 JT-60은 퓨전 트리플 제품의 최고치인 1.77×10 K·s·m = 1.53×10 keV·s·m를 달성한 기록을 보유하고 있습니다. 현재까지 JT-60은 가장 뜨거운 이온 온도(5억 2200만 °C)를 달성한 세계 기록을 가지고 있습니다. 이 기록은 1996년 프린스턴에서 TFTR 기계를 물리쳤습니다.[6]

독창적인 디자인

JT-60은 1970년대에 세계 주요 강대국들의 핵융합에 대한 관심이 높아진 시기에 처음 설계되었습니다. 특히 미국, 영국, 일본은 1968년 소련의 T-3의 우수한 성능에 자극을 받아 이 분야를 더욱 발전시켰습니다.

JT-60은 1985년 4월 8일에 가동을 시작했고,[7] 얼마 전에 가동을 시작한 TFTR과 JET와 마찬가지로 예측치에 훨씬 못 미치는 성능을 보여주었습니다.

이후 20년 동안 JET와 JT-60은 이 기계들이 당초 기대했던 성능을 되찾기 위한 노력을 주도했습니다. JT-60은 1991년 3월 JT-60U("업그레이드"용)의 대대적인 개조를 거쳤습니다.[8] 그 변화로 플라즈마 성능이 크게 향상되었습니다.

JT-60U(업그레이드)

JT-60U 업그레이드의 주요 목적은 "브레이크-이븐 조건 근처의 에너지 구속, [a] 비유도 전류 구동 및 중수소 플라즈마로 연소하는 플라즈마 물리학을 조사하는 것"이었습니다. 이를 위해 폴로이드 필드 코일과 진공 용기를 교체했습니다. 1989년 11월에 착공하여 1991년 3월에 완공되었습니다.[9] 운영은 7월에 시작되었습니다.[10]

1996년 10월 31일 JT-60U는 2.8 MA에서 Q = 1.05배의 계수로 외삽 브레이크를 성공적으로 달성했습니다. 즉, 이론적으로 균질한 중수소 연료를 중수소와 삼중수소의 1:1 혼합물로 대체했다면, 핵융합 반응은 반응을 시작하는 데 사용된 에너지의 1.05배에 달하는 에너지 출력을 만들어냈을 것입니다. JT-60U는 광범위한 비용과 안전 위험을 추가하기 때문에 삼중수소를 활용할 수 있는 장비가 없었습니다.

1997년 2월, 더 큰 입자 및 불순물 제어를 위해 개방형에서 반폐쇄형 W형으로 디버터를 개조하기 시작했고 이후 5월에 완료되었습니다.[11][12][13] ITER에서 헬륨 배기를 시뮬레이션한 실험은 수정된 디버터로 즉시 수행되어 큰 성공을 거두었습니다. 1998년 수정을 통해 JT-60U는 2.6 MA에서 Q = 1.25의 외삽 핵융합 에너지 이득 계수에 도달할 수 있었습니다.

1998년 12월, 1994년부터 시작된 진공 펌핑 시스템에 대한 수정이 완료되었습니다. 특히 오일 베어링이 있는 12개의 터보분자 펌프와 4개의 오일 밀봉 회전 진공 펌프를 자기적으로 매달아 놓은 터보분자 펌프와 건식 진공 펌프로 교체하였습니다. 그 변화는 15세 시스템의 액체 질소 소비량을 3분의 2로 줄였습니다.

2003 회계연도에 JT-60U의 플라즈마 방전 지속시간은 15초에서 65초로 성공적으로 연장되었습니다.[18]

2005년에는 진공 용기에 페라이트강(페로마그넷) 타일을 설치하여 자기장 구조를 교정하여 고속 이온의 손실을 줄였습니다.[19][20] JAEA는 JT-60에 새로운 부품을 사용하여 강력한 토로이드 자기장에서 플라즈마를 유지하는 능력을 향상시켰습니다.

2007-2008년 언젠가, 받침대 영역의 플라즈마 압력을 제어하고 플라즈마의 자기조직 구조에 대한 연료의 영향을 평가하기 위해 JT-60U에 초음속 분자빔 주입(Sumonic Molecular Beam Injection, SMBI) 시스템이 설치되었습니다. 이 시스템의 설계는 Cadarach, CEA 및 JAEA 간의 공동 작업이었습니다.[21]

JT-60U는 2008년 8월 29일 운행을 종료했습니다.[22]

JT-60SA

2023년 JT-60SA 정면도.

JT-60SA는 JT-60U의 후속 제품으로, 광범위한 접근 협정에 의해 기술된 바와 같이 ITER의 위성으로 작동합니다. 2013년 1월에 조립을 시작하여 2020년 3월에 완공하였습니다. 2021년 3월 통합 시운전 중 대규모 누전이 발생하여 장기간 수리가 필요한 상황이 발생한 후 2023년 12월 1일 가동을 선언하였습니다. 전체 건설 비용은 인플레이션에 따라 조정된 €560000000 정도로 추정됩니다.[23]

JT-60SA는 무게가 약 2,600단톤([24]2,400t)에 달하는 초전도 자석 시스템으로, 18개의 D자형 니오븀-티타늄 토로이달 필드 코일, 니오븀-주석 중심 솔레노이드 및 12개의 평형 필드 코일을 포함합니다.

역사

JAERI의 기술자들은 1972년 1월까지 초전도 코일을 사용한 토카막의 가능성을 평가하고 있었습니다.[25] 1977년 토카막에 사용될 초전도 코일 개발을 위한 다국적 협력 연구 프로젝트인 IEA Large Coil Task가 개발되었습니다.

10년 후인 1982년 1월, FER(Fusion Experimental Reactor)로 알려진 JT-60의 후속 모델에 대한 아이디어가 구체화되기 시작했습니다.[26] 중요한 것은 FER이 JT-60U로 진화하지 않았다는 것입니다. 전자는 수정된 후자와 달리 거의 완전히 새로운 원자로였습니다. 1983-4년까지 FER는 초전도 자석을 활용하기로 결정되었습니다.[27]

1993년 1월, FER는 JT-60의 수정으로 지정되었고, 이름을 JT-60SU(슈퍼 업그레이드용)로 변경했습니다.[28] 수정의 목적은 펄스가 아닌 융합 반응을 무한정 유지하는 정상 상태 작동을 유지하는 것이었습니다.[29]

1996년 1월, NbAl3 복합 와이어의 초전도 특성과 그 제조 과정을 상세히 기술한 논문이 제16회 국제 극저온 엔지니어링/소재 컨퍼런스 저널에 게재되었습니다.[30] 엔지니어들은 JT-60SA의 18개 토로이달 코일에서 알루미늄의 잠재적 사용을 평가했습니다.[31]

그 이후 10년 동안 디자인과 명칭은 다양했고, 2007년 2월 일본과 유럽 원자력 공동체 간의 광범위한 접근 협정이 체결될 때까지 다양했습니다.[32] 그 안에서 위성 토카막 프로그램은 JT-60에 대한 명확하고 정의된 목표를 수립했습니다.SA: 소규모 ITER 역할을 수행합니다. 이렇게 하면 JT-60SA는 향후 본격적인 원자로를 조립하고 운영하는 엔지니어들에게 뒷북을 칠 수 있습니다.

JT-60을 해체한 후 2010년까지 니오븀-티타늄 초전도 코일을 추가하여 JT-60SA로 업그레이드할 계획이었습니다.[4][33] JT60용입니다.ITER과 동일한 모양의 플라즈마로 실행할 수 있는 SA.[33]: 3.1.3 중앙 솔레노이드는 니오븀-주석을 사용하도록 설계되었습니다(9T 필드가 더 높기 때문입니다).[33]: 3.3.1

조립

토카막의 건설은 2013년 1월 28일 스페인 아빌레스에서 선적된 크라이오스타트 기지의 조립으로 공식적으로 시작되었으며,[34] 2020년 9월 첫 플라즈마 계획으로 2020년까지 계속될 예정이었습니다.[35] 2020년 3월 30일 조립이 [36]완료되었으며 2021년 3월 25.7kA의 전류로 완전한 설계 토로이달 필드에 성공적으로 도달했습니다.[37]

단락

2021년 3월 9일, 평형장 코일 1호(EF1)에서 코일 전류가 급격히 증가하다가 갑자기 평평해지는 코일 에너지화 시험이 진행되고 있었습니다. 그 후 몇 분 동안 원자로는 안전하게 정지되었고, 그 동안 크라이오스탯의 압력은 10×10−3 Pa에서 7000 Pa로 증가했습니다. 곧바로 수사가 이어졌습니다.

'EF1 피더 사건'으로 알려지게 된 이 사건은 담금질 검출용 전선 도체 출구의 절연 부족으로 인한 중대한 단락에 의한 것으로 밝혀졌습니다. 형성된 호는 EF1의 껍질을 손상시켜 극저온 상태로 헬륨 누출을 일으켰습니다.

총 90곳에서 수리가 필요했고 기계 센서를 다시 연결해야 했습니다. 그러나 복잡한 JT-60SA는 때때로 기계에 대한 접근이 제한된다는 것을 의미하는 매우 정밀하게 설계되고 조립되었습니다. 플라즈마 작업이 더 지연될 수 있는 위험이 문제를 더욱 악화시켰습니다.[38]

JT-60SA 팀은 기계가 작동하기에 얼마나 가까웠는지를 고려할 때 이 사건에 실망했지만 계속했습니다.

2023년 5월에 수리를 완료하고 운영 준비를 시작했습니다.[39]

현재 작업

JT-60SA는 2023년 10월 23일 첫 플라즈마를 달성하여 2024년 기준 세계 최대 규모의 운영 초전도 토카막이 되었습니다.[2] 원자로는 2023년 12월 1일에 가동이 선언되었습니다.[40]

사양

(60은 JT-60을 의미하고, 60U는 JT-60U를 의미하며, 60SA는 JT-60SA를 의미합니다.) ("60SA I"는 JT-60SA의 초기/통합 연구 단계를 의미하며, "60SA II"는 확장 연구 단계를 의미합니다.)

플라스마[41][42][43]
용량 현재의 주반경 단반경 종횡비 높이 펄스길이 신장 삼각형
60 2.1 MA - 2.6 MA 3m 0.85 m - 0.95 m 3.52 - 3.15 5초
60U 90m3 3 MA 3.4m 1m 3.4 1.5±0.3m 65초 1.5±0.3
60SAI 5.5 MA 2.97m 1.17m 2.54 2.14m 백초 1.83 0.50
60SA II 5.5 MA 2.97m 1.18m 2.52 2.28m 백초 1.93 0.57
진공 용기[44][42]
재료. 베이킹 템프. 원턴 저항
60 인켈 625 500°C > 1.3M ω
60U 인켈 625 300 °C 0.2M ω
60SA SS 316L 200 °C 16 µ ω
토로이달 필드 코일[42]
# 턴즈 재료. 코일전류 인덕턴스 레지스탕스 시간 상수
60 18 1296 52.1kA 2.1H 84M ω 25초
60U 18 1296 AgOFCu 52.1kA 2.1H 97M ω 21.65s
60SA

참고 항목


참고문헌

  1. ^ "Naka Fusion Institute". www.naka.jaea.go.jp. Archived from the original on 1 July 2007. Retrieved 14 January 2022.
  2. ^ a b "First plasma 23 October". JT-60SA. 24 October 2023. Archived from the original on 27 October 2023. Retrieved 15 November 2023.
  3. ^ "What is JT-60SA?". JT-60SA. Archived from the original on 15 November 2023. Retrieved 15 November 2023.
  4. ^ a b "JT-60 HOME PAGE". Japan Atomic Energy Agency. Archived from the original on 25 April 2021. Retrieved 25 April 2021.
  5. ^ 2016-02-23 Wayback Machine에서 보관된 JT-60 작동 이력과 플라즈마 성능 진행 현황
  6. ^ "Plasma physics found in JT-60 tokamak over the last 20 years". Archived from the original on 2021-01-21. Retrieved 2020-12-19.
  7. ^ 核融合研究センター (1986). Annual Report of the Fusion Research Center for the Period of April 1,1984 to March 31,1985 (Report) (in Japanese). 日本原子力研究開発機構. doi:10.11484/jaeri-m-85-205.
  8. ^ Naka Fusion Institute (June 2008). FUSION - Future Energy of the Earth (PDF). Japan Atomic Energy Agency. p. 12. Archived (PDF) from the original on 17 August 2022. Retrieved 25 January 2024.
  9. ^ 那珂研究所 (1991). Annual report of the Naka Fusion Research Establishment for the period of April 1, 1990 to March 31, 1991 (Report) (in Japanese). 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). Annual report of Naka Fusion Research Establishment for the period of April 1, 1991 to March 31, 1992 (Report) (in Japanese). 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). Annual Report from April 1, 1996 to March 31, 1997 (PDF) (Report). Naka Fusion Research Establishment. p. 1. Archived (PDF) from the original on January 16, 2024. Retrieved 26 January 2024. The construction for the divertor modification from the original open type to the W-shaped semi-closed type for improving the particle control was started on February 1997.
  12. ^ Naka-machi; Naka-gun; Ibaraki-ken (1 October 1998). Annual Report of Naka Fusion Research Establishment from April 1, 1997 to March 31, 1998 (PDF) (Report). p. 1. Archived (PDF) from the original on 16 January 2024. Retrieved 26 January 2024. The construction for the divertor modification from the original open type to the W-shaped semi-closed type for improving the particle control was finished in May 1997.
  13. ^ Olgierd Dumbrajs; Jukka Heikkinen; Seppo Karttunen; T. Kiviniemi; Taina Kurki-Suonio; M. Mantsinen; Timo Pättikangas; K.M. Rantamäki; Ralf Salomaa; Seppo Sipilä (1997). Local current profile modification in tokamak reactors in various radiofrequency ranges. Publication / Division of Scientific and Technical Information, International Atomic Energy Agency. Vienna: International Atomic Energy Agency IAEA. ISBN 978-92-0-103997-2. Archived from the original on 2023-10-22. Retrieved 2024-02-25.
  14. ^ "JT-60U Reaches 1.25 of Equivalent Fusion Power Gain". 7 August 1998. Archived from the original on 6 January 2013. Retrieved 5 December 2016.
  15. ^ Clery, Daniel (2014-07-29). A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy. Overlook Press. ISBN 978-1-4683-1041-2. Archived from the original on 2024-02-25. Retrieved 2024-02-02.
  16. ^ "HIGH PERFORMANCE EXPERIMENTS IN JT-60U REVERSED SHEAR DISCHARGES" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2017-03-09. Retrieved 2017-04-30.
  17. ^ Annual Report of Naka Fusion Research Establishment from April 1, 1998 to March 31, 1999 (PDF) (Report). Archived (PDF) from the original on January 30, 2024. Retrieved January 30, 2024.
  18. ^ Annual Report of Naka Fusion Research Establishment from April 1, 2003 to March 31, 2004 (PDF) (Report). Archived (PDF) from the original on January 30, 2024. Retrieved January 30, 2024.
  19. ^ "Achievement of long sustainment of a high-confinement, high-pressure plasma in JT-60 - A big step towards extended burn in ITER with the use of ferritic steel -" (Press release). Japan Atomic Energy Agency. 9 May 2006. Archived from the original on 16 June 2019. Retrieved 5 December 2016.
  20. ^ "ferromagnet diagrams". Archived from the original on 2017-01-24. Retrieved 2016-02-16.
  21. ^ Annual Report of Fusion Research and Development Directorate of JAEA from April 1, 2007 to March 31, 2008 (PDF) (Report). 20 October 1998. p. 18. Archived (PDF) from the original on 30 January 2024. Retrieved 30 January 2024.
  22. ^ 核融合研究開発部門 (2011). Annual report of Fusion Research and Development Directorate of JAEA for FY2008 and FY2009 (Report) (in Japanese). 日本原子力研究開発機構. doi:10.11484/jaea-review-2011-009.
  23. ^ "JT-60SA is officially the most powerful Tokamak". December 2023. Archived from the original on 2024-02-21. Retrieved 2024-02-21.
  24. ^ JT-60SA - Toward the Realization of Fusion Energy (PDF). January 2021. p. 3. Archived (PDF) from the original on 14 August 2022. Retrieved 26 January 2024.
  25. ^ "Superconducting Coils for a Fusion Reactor". Archived from the original on 2024-02-22. Retrieved 2024-02-22.
  26. ^ Sugihara, Masayoshi; Fujisawa, Nobol; Ueda, Kojyu; Saito, Seiji; Hatayama, Akiyoshi; Shimada, Ryuichi (1982). "Plasma design considerations of near term tokamak fusion experimental reactor". Journal of Nuclear Science and Technology. 19 (8): 628–637. doi:10.3327/jnst.19.628. ISSN 1881-1248. Archived from the original on 2024-02-25. Retrieved 2024-02-22.
  27. ^ 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 [Nuclear Fusion Experimental Reactor (FER) Conceptual design; Showa 59, 60] (Report) (in Japanese). 日本原子力研究開発機構. doi:10.11484/jaeri-m-86-134.
  28. ^ Institute of Electrical and Electronics Engineers; IEEE Nuclear and Plasma Sciences Society, eds. (1993). 15th IEEE/NPSS Symposium on Fusion Engineering: October 11 - 15, 1993, Hyannis, Massachusetts. Piscataway, NJ: IEEE Service Center. ISBN 978-0-7803-1412-2.
  29. ^ Miya, Naoyuki; Nagami, Masayuki; Nakajima, Shinji; Nakamura, Hiroo; Ushigusa, Kenkichi; Oikawa, Akira; Nishitani, Takeo; Toyoshima, Noboru; Kinoshita, Shigeyoshi; Nakagawa, Satoshi; Saito, Ryuta (1994-01-01). "Conceptual design study of nuclear shielding for the steady state tokamak device JT-60SU". Fusion Engineering and Design. 23 (4): 351–358. doi:10.1016/0920-3796(94)90019-1. ISSN 0920-3796. Archived from the original on 2024-02-25. Retrieved 2024-02-09.
  30. ^ Haruyama, T.; Mitsui, Takeo; Yamafuji, Kaoru (1997). Proceedings of the Sixteenth International Cryogenic Engineering Conference/ International Cryogenic Materials Conference: Kitakyushu, Japan, 20-24 May 1996. International Cryogenic Engineering Conference, International Cryogenic Materials Conference. Oxford: 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 [Design and research of constant furnace core test device, Part 5; Power supply equipment] (Report) (in Japanese). 日本原子力研究開発機構. doi:10.11484/jaeri-research-97-010.
  32. ^ European Commission. Directorate General for Energy. (2020). Broader approach :cutting edge fusion energy research activities. LU: Publications Office. doi:10.2833/62030. ISBN 978-92-76-16659-7. Archived from the original on 2024-02-25. Retrieved 2024-02-05.
  33. ^ a b c "JAEA 2006-2007 annual report". Archived from the original on 2013-01-06. Retrieved 2016-02-16. 3.1.3 Machine Parameters : A bird's eye view of JT-60SA is shown in Fig. I.3.1-1. Typical parameters of JT-60SA are shown in Table I.3.1-1. The maximum plasma current is 5.5 MA with a relatively low aspect ratio plasma (Rp=3.06 m, A=2.65, κ95=1.76, δ95=0.45) and 3.5 MA for an ITER-shaped plasma (Rp=3.15 m, A=3.1, κ95=1.69, δ95=0.36). Inductive operation with 100s flat top duration will be possible within the total available flux swing of 40 Wb. The heating and current drive system will provide 34 MW of neutral beam injection and 7 MW of ECRF. The divertor target is designed to be water-cooled in order to handle heat fluxes up to15 MW/m2 for long time durations. An annual neutron budget of 4x1021 neutrons is foreseen 섹션 3의 JT-60SA에 대한 많은 세부 정보
  34. ^ "JT-60SA: The Tokamak assembly begins - Fusion for Energy". 5 April 2013. Archived from the original on 19 February 2024. Retrieved 19 February 2024.
  35. ^ "The JT-60SA project Introduction". Japan Atomic Energy Agency. Archived from the original on 5 March 2016. Retrieved 6 March 2018.
  36. ^ "JT-60SA: World's largest superconducting tokamak completed!". Newsletter 113. National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology. April 2020. Archived from the original on 2020-06-22. Retrieved 2020-06-21.
  37. ^ "02.03.2021 – JT-60SA successfully reaches its full design toroidal field – JT-60SA". Archived from the original on 2021-03-02. Retrieved 2021-03-19.
  38. ^ "Team spirit, resilience, and adaptability key to JT-60SA repairs". Fusion for Energy. 28 November 2022. Archived from the original on 2 December 2023. Retrieved 7 February 2024.
  39. ^ "Operations restart with vacuum pumping on 30.05.2023". JT-60SA. 5 June 2023. Archived from the original on 15 November 2023. Retrieved 15 November 2023.
  40. ^ EU 보도자료 https://energy.ec.europa.eu/news/eu-and-japan-celebrate-start-operations-jt-60sa-fusion-reactor-and-reaffirm-close-cooperation-fusion-2023-12-01_en Wayback Machine에서 2023-12-13 아카이브
  41. ^ Hosogane, N.; Ninomiya, H.; Matsukawa, M.; Ando, T.; Neyatani, Y.; Horiike, H.; Sakurai, S.; Masaki, K.; Yamamoto, M.; Kodama, K.; Sasajima, T.; Terakado, T.; Ohmori, S.; Ohmori, Y.; Okano, J. (November 2002). "Development and Operational Experiences of the JT-60U Tokamak and Power Supplies". Fusion Science and Technology. 42 (2–3): 368–385. Bibcode:2002FuST...42..368H. doi:10.13182/FST02-A234. ISSN 1536-1055. S2CID 120683442. Archived from the original on 2024-02-25. Retrieved 2024-02-25.
  42. ^ a b c Annual Report of Division of Thermonuclear Fusion Research and Division of Large Tokamak Development for the Period of April 1, 1976 to March 31, 1977 (Report) (in Japanese). doi:10.11484/jaeri-m-7479.
  43. ^ "Annual report of Fusion Research and Development Directorate of JAEA for FY2008 and FY2009" (in Japanese). doi:10.11484/jaea-review-2011-009. {{cite journal}}: 저널 인용은 다음과 같습니다. journal= (도움말)
  44. ^ Ishida, S.; Barabaschi, P.; Kamada, Y. (2011-09-01). "Overview of the JT-60SA project". Nuclear Fusion. 51 (9): 094018. Bibcode:2011NucFu..51i4018I. doi:10.1088/0029-5515/51/9/094018. ISSN 0029-5515. S2CID 122120186.

외부 링크