알카토르 C-Mod

알카토르 C-Mod

MIT Plasma Science and Fusion Center의 Alcator C-Mod tokamak 실험.장치 자체(콘크리트 차폐 상태) 및 주변 베이의 진단 정보를 보여주는 개요.
디바이스 타입	토카막
위치	케임브리지, 매사추세츠, 미국
제휴	MIT 플라즈마 과학 및 핵융합 센터
기술사양
장반경	0.68 m (2 피트 3 인치)
마이너 반지름	0.22m(8.7인치)
플라즈마 볼륨	1미터3
자기장	3 ~ 8 T (30,000 ~80,000 G) (트로이덜)
플라즈마 전류	0.4 ~ 2.0 MA (표준)
역사
운용년도	1991–2016
선행	알카토르 C

알카토르 C-Mod는 1991년부터 2016년까지 미국 매사추세츠공대(MIT) 플라즈마과학융합센터(PSFC)에서 작동한 토카막(자기구속형 핵융합 소자의 일종)이다.최대 8Tesla의 높은 트로이덜 자기장으로 유명한 Alcator C-Mod는 자기 구속형 핵융합 장치의 ^[1]부피 평균 플라즈마 압력 세계 기록을 보유하고 있습니다.2016년 폐쇄될 때까지 미국의 주요 핵융합 연구 시설 중 하나였다.

알카토르 C-Mod는 알카토르 A(1973-1979)와 알카토르 C(1978-1987)에 이어 세 번째 알카토르(Alcator Campo Toro, High Field Torus) 토카막 시리즈이다.이 원자로는 어떤 대학에서도 가장 큰 핵융합로였으며, 더 큰 플라즈마 과학 및 핵융합 센터의 필수적인 부분이었다.

역사

알카토르 A

1960년대 후반, MIT의 자기 결합 핵융합 연구는 전자공학 연구소와 프란시스 비터 마그넷 연구소의 소규모 "테이블 탑" 실험을 통해 이루어졌다.이 시기에 소련은 토카막(미국에서는 알려지지 않았지만)을 개발하고 있었고 프린스턴 플라즈마 물리학 연구소(PPPL)는 스타레이터를 개발하고 있었다.

Bruno Coppi는 뉴저지 프린스턴에 있는 고급 연구소에서 일하고 있었으며 스트리밍 파라미터의 높은 값에서 플라즈마 저항률의 기본적인 플라즈마 물리 문제뿐만 아니라 매우 높은 자기장 강도(≥ 10T)에서 자기적으로 구속된 플라즈마의 거동에 관심이 있었다.1968년, 코피는 노보시비르스크에서 열린 제3차 IAEA 플라즈마 물리 및 핵융합 제어 연구에 관한 국제 회의에 참석했다.이 회의에서 소련 과학자들은 토카막 소자(T-3)에서 1000eV 이상의 전자 온도를 달성했다고 발표했다.

같은 해, 코피는 MIT 물리학과 정교수로 임명되었습니다.그는 즉시 브루스 몽고메리가 이끄는 프란시스 비터 마그넷 연구소의 엔지니어들과 협력하여 소형 (주반경 0.54m) 하이필드 (축에 10T) 토카막(Tokamak)을 설계했고, 그 이름은 알카토르였다.그 이름은 이탈리아 알토 캄포 토로의 약자로 "하이필드 토러스"라는 뜻이다.이후 알카토르 C와 알카토르 C-Mod가 건설되면서 원래의 알카토르 A로 소급하여 이름이 바뀌었다.

알카토르는 1970년 원자력위원회(AEC)의 승인을 받아 1972년 처음 가동됐다.성능 문제(진공 불량 및 트로이덜 자석의 아크)로 인해 1973-1974년에 새로운 진공 용기로 기계를 재구축하였고, 1974년부터 과학적 결과가 나왔습니다.Alcator A는 Bitter Laboratory의 32 MW DC 모터 제너레이터로 구동되었으며, 세계 최초로 오믹 전류 구동 및 난방에 공기 코어 변압기를 사용한 토카막이었습니다.

알카토르 B 및 C

알케이터 A의 성공은 1975년부터 알케이터 B라고 불리는 더 큰 기계의 개념적 디자인으로 이어졌다.그러나 Alcator A에 사용된 모터 제너레이터는 새로운 기계를 구동하기에 충분한 파워가 없었기 때문에 새로운 전원장치를 구입하여 설치해야 했습니다.이 비용은 에너지 연구개발국(ERDA)이 부담하지 않았습니다.그러나 ERDA는 또 다른 Alcator를 건설하는 데 열의를 보였고, 해결책이 발견되었습니다. Con Ed는 뉴욕 이스트 리버에 있는 공장에서 225MVA 교류 발전기를 MIT에 기증했습니다.개념설계가 다른 전원장치에 맞게 변경되어 프로젝트명은 Alcator C로 변경되었습니다.

알카토르 C는 1976년에 정식 허가를 받았다.같은 해, 프란시스 비터 마그넷 연구소에서 플라즈마 핵융합 센터(현 플라즈마 과학 및 핵융합 센터)가 분리되었다.알카토르 C의 건설은 빠르게 진행되었고 1977년 말에 초기 시험이 실시되었다.교류 발전기는 1978년 초에 Con Ed에서 도착했으며 1978년 여름 시스템에 통합되었다.과학 작업은 그해 9월에 시작되었다.

알케이터 C는 알케이터 A보다 더 큰 기계(R₀ = 0.64m)였고 더 높은 필드₀(B ≤ 13T)에서 작동했다.1982년에 4 MW의 낮은 하이브리드 가열이 추가되면서, 3.0 keV 이상의 전자 온도에 도달했습니다.반면 Alcator C는 원래, 이온 온도 구배의 격변의 η의 높은 값에서 발병하는 때문)에너지를 밀폐 시간 기대하지 않았어 d ln ⁡ T/dln⁡ n{\displaystyle \eta){\text{d}}\ln T{\text{d}}\ln n},pellet 동력원 사용될 수 있는 챙이 달린 밀도 프로필과 값의nτ 제품 이상의 0.8×102세입니다.0s·m는⁻³ 1983년에 달성되었다.

미개념과 C-Mod 제안

PSFC에서는 새로운 디바이스와 업그레이드에 관한 몇 가지 아이디어에 대한 자금 지원이 전혀 이루어지지 않았습니다.1978년부터 1980년까지, 더 많은 난방 전력과 심지어 중수소-삼중수소(D-T) 작동을 허용하는 더 큰 버전의 알카토르 D에 대한 설계 활동이 수행되었다.이 설계는 에너지부(DOE)에 공식적으로 제안되지 않았지만, 코피의 지시에 따라 계속 발전하여 결국 러시아 트로이츠크 인근의 트리니티에서 건설될 예정인 이탈리아-러시아 IGNITOR 장치가 되었다.

1982년, Alcator DCT라고 불리는 또 다른 야심찬 장치가 고안되었다.이 기계는 축에 7T를 생성하는 초전도 코일을 가지고 있을 것이다.4 MW의 저하이브리드 전류 드라이브는 1.4 MA 플라즈마 전류로 정상 상태 플라즈마를 구동합니다.이 디자인이 프랑스 Tear Supra와 비슷했기 때문에 1983년 프랑스-미국 공동 워크숍이 카다라슈에서 개최되어 두 디자인을 비교하고 아이디어를 교환했다.Alcator DCT는 1983년 말에 DOE에 공식적으로 제안되었지만 자금 지원을 받지 못했다.

당시 미국의 자기핵융합에너지 연구 예산은 해마다 증가해 1984 회계연도에 4억6840만달러에 달했다.그 해, PSFC는, 당분간 예산이 삭감되어 DOE의 방침은, 새로운 머신이 아니고, 기존의 디바이스로의 업그레이드에만 자금을 대는 것입니다.따라서 Alcator C의 전원 공급 장치 중 일부를 재사용하는 구리 코일 기계에 대한 설계 작업이 시작되었고, 팀은 이를 Alcator C에 "수정"으로 적용할 수 있게 되었습니다.개념 설계가 완료되었고 1985년 말에 Alcator C-Mod가 DOE에 공식적으로 제안되었다.프로젝트는 승인되었고 1986년에 건축이 승인되었다.

특성.

난방 및 전류 드라이브

Alcator C-Mod는 Ion Cyclotron Range Frequency(ICRF; 이온 사이클로트론 범위 주파수) 난방을 주요 보조 가열원으로 사용합니다.선원 주파수는 80MHz이고 표준 마이너리티 가열 시나리오는 4.4-6.9T의 경우 D(H)와 현장 작동의 경우 D(3He)이다(7.3-8.0T).^[2]소수 종(수소 또는 He3)이 표시되며 ICRH 시나리오는 2성분 혈장을 사용한다.

흡수 효율은 소수 농도에 따라 달라집니다.또한 소수 종 농도를 변화시킴으로써 소수 종과 모드 변환(MC) 가열 간에 전환이 가능합니다.상대 H분율 ${\displaystyle {\delta }_{}}$ H ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {}_{}{H}_{}}$/ ( ${\displaystyle n_{}}$H + ${\displaystyle n_{}}$D$$) { $displaystyle \eta$_ { H } =$n _$ { H } / ( n$_$ { H$$} + $n$_ { $D$} } } can$$ puff puff puff ^[2]puff 2 ~ 30 % roughly puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff puff exchange exchange exchange exchange exchange exchange from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from from frometaetaetaetaetaetaetaetaetaetaetaetaeta상대 He3 fraction ${\displaystyle {\delta }_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{He}}_{}}$ 3 ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{He}}_{}}$3 / ${\displaystyle n{}_{}}$ { $displaystyle \eta$_ { $He3$} =$n_{ He3}$ / $n_{e}}$ 농도는$$ 가스 퍼프를 통해 약 2~30%에서 스캔할 수도 있다.위상 대비 이미징(PCI)을 사용하여 플라즈마에서 직접 모드 변환 파형을 측정할 수 있습니다.

소수점 난방

소수점 난방은 C-Mod에서 사용되는 가장 일반적인 시나리오입니다.ICRF 난방 시스템은 D(H) 플라스마에서 80MHz로 작동합니다.이 주파수는 5.3T에서 양성자의 축방향 소수 기본 사이클로트론 공명과 중수소 플라즈마에서 수소 소수 종에 의해 빠른 파장을 흡수하는 것에 해당한다.매우 효율적일 수 있습니다(C-Mod의 일반적인 단일 패스 흡수는 5~10%^[3]의 소수 농도의 경우 80~90%입니다).중수소 다수 플라즈마에서 80MHz 및 7.9T의 소수 가열은 He3 소수 공명(축 방향)을 사용하여 달성되지만, 중수소에 He3 소수 이온을 사용한 단일 패스 흡수는 양성자(예: 5.3-5.4T)보다^[3] 훨씬 낮은 경향이 있다.

모드 변환 난방

이온 사이클로트론 주파수 범위(ICRF)의 이온 사이클로트론파 및 이온 번스타인파로 고속 자기음파를 모드 변환하여 전자를 가열할 수 있다.모드 변환 가열은 D(3He) 플라스마의 ^[2]ICRF를 사용하여 C-Mod에서 이루어집니다.

저하이브리드 전류 드라이브

LHCD(Lower Hybrid Current Drive)는 Ohmic 변압기에 의해 구동되는 전류를 보충하는 데 사용됩니다.LHCD 시스템은 4.6GHz의 플라즈마에 1.0 MW 이상의 마이크로파 전력(2013년에 두 번째 안테나를^{[needs update]} 추가하여 2 MW 이상으로 업그레이드 예정)을 공급할 수 있습니다.전력은 CPI, Inc.에서 제조한 250kW klystron 마이크로파 증폭기에 의해 공급됩니다.500 kA에서 최대 0.5초 펄스에 대한 비유도 작동이 달성되었습니다.저하이브리드파는 플라즈마 전류 반대 방향(즉, 전자 이동 방향)에서 우선적으로 발사되며 Landau 댐핑을 통해 열 속도의 약 3배 속도로 이동하는 전자에 에너지를 축적합니다.LHCD 연구의 주요 영역은 핵융합 발전소에 필요한 고밀도(n_e > 10m²⁰⁻³)의 전류 구동 영역입니다.

2013~2016년 : 최종 가동 및 종료

Alcator C-Mod는 2013년 10월에 문을 닫을 예정이었다.그러나 2014년 의회 옴니버스 지출 법안은 실험 운영을 명시하고 2,200만 달러를 제공했다.시험운전은 2014년 2월에 재개되었다.

자금을 제공한 옴니버스 법안에는 2016 ^[4][5]회계연도 이후에는 자금을 제공하지 않을 것이라고 명시되어 있지만, 2015 회계연도에는 자금이 다시 연장되었습니다.

2016년 Alcator C-Mod는 자기 구속 핵융합 장치의 플라즈마 압력 세계 기록을 수립하여 2.05 기압에 도달했습니다. 이는 기존 기록인 1.77 기압(Alcator C-Mod도 보유)보다 15% 상승한 것입니다.이 기록적인 플라즈마는 섭씨 3500만 도에 달하며 2초간 지속되며 600조 번의 핵융합 ^[6]반응을 보였다.이 실행에는 5.7테슬라 트로이덜 자기장의 작동이 수반되었습니다.그것은 ^[7]운영 마지막 날에 이 이정표에 도달했다.

2016년 9월 말 가동 종료 후 추가 실험이 계획되지 않은 안전한 가동 정지 상태에 있다.20년 이상의 작업으로부터 축적된 풍부한 데이터가 있으며, 실험 및 이론 팀은 계속해서 결과를 분석하여 과학 ^[8]문헌에 발표합니다.

Alcator C-Mod 플라즈마 압력 기록은 2.05 기압으로 당분간 유지될 것으로 보인다.현재 건설 중인 기계 중 이 기록을 경신할 것으로 예상되는 것은 프랑스의 ITER 토카막뿐이다.ITER는 2032년까지 완전히 가동되지 않을 것으로 예상되며,^[1] 그 전에 다른 새로운 장치가 만들어지지 않는 한 알케이터 C-Mod의 기록은 15년 동안 유지될 것이다.

레퍼런스

원천

• "알카토르 크로니클, 또는: 알카토르 B에게 무슨 일이 일어났나?"R. Parker가 IAP 2011에서 프레젠테이션을 했습니다.MIT PSFC 라이브러리에서 온라인으로 이용 가능
• 보놀리 등물리 플라즈마, 제7권, 제5호, 2000년 5월

각주

외부 링크

• 공식 웹사이트