وضعیت سر به سر شدن در رآكتور توكامك

بخش عمده برنامه تجربی رآكتور آزمایشی گداخت توكامك (TFTR) در دانشگاه پرینستون در سالیان گذشته متوجه آن بوده است كه گستره‌های محصور سازی انرژی بیشتر جستجو شود تا از این طریق امكان دست یافتن به انرژی تقریباً سربه سر در TFTR میسر شود و در آینده اشتغال گرما هسته‌ای در توكامك‌های اشتغالی متراكم، تحقق بپذیرد. در تعدادی از توكامك‌های كوچك‌تر تكنیك‌هایی برای بهبود محصورسازی انرژی به كار گرفته شده است، ولی تعمیم هیچ یك از این تكنیك‌ها به توكامك‌های بزرگ فعلی نظیر TFTR، چنبره مشترك اروپایی (JET) و توكامك ژاپنی 60-JT موفقیت آمیز نبوده است. چند سال قبل، دو رهیافت متفاوت در رژیم‌های پلاسمایی مختلف در TFTR قرین موفقیت بوده است.
در روش اول از یك تزریق كننده ساچمه‌ای سریع‌السیر كه در آزمایشگاه ملی اوك‌ریج (ORNL) ساخته شده بود استفاده شد و به كمك این تزریق كننده پلاسماهای بسیار چگال در TFTR تولید شد كه نمایه (پروفیل) چگالی آن‌ها قله‌ای كاملاً متمایز داشت. در این روش با ساچمه‌های چندتایی 3-4 میلی متری دوتریوم منجمد با سرعت s/m1250 تزریق می‌شود. این ساچمه‌ها به عمق پلاسماهای TFTR كه به طور اهمی گرم شده‌اند، نفوذ می‌كنند، و سوخت دوتریوم خود را در نزدیكی مركز تخلیه به جا می‌گذارند، و عملاً اثر مصرف مجدد ذره را در لبه پلاسما از بین می‌برد. در دماهای مركزی keV3ر1 برای یون‌ها و الكترون‌ها مقدار بی‌سابقه τn (حاصلضرب چگالی مركزی در كل زمان محصورسازی انرژی) 3m/s102×5ر1 به دست آمد، كه تقریباً دو برابر بهترین نتیجه‌ای است كه قبلاً در توكامك الكاتور c در MIT به دست آمده است.
دومین رهیافت موفق در TFTR نیز شامل تقلیل مصرف مجدد ذره در لبه پلاسما بود، ولی در اینجا از تكنیك‌های دیگری استفاده شد. اولین سطح مادی كه پلاسمای توكامك به آن برخورد می‌كند، معمولاً مجموعه‌ای از آجرهای گرافیتی است، كه به منظور مقابله با چگالهایی پر قدرت در تراشه‌های پلاسمایی – بی آنكه آسیبی وارد آورد یا مقادیر زیان آوری یون‌های ناخالصی وارد پلاسما كند – تعبیه می‌شود. سطح این مانع گرافیتی عموماً از دوتریوم پوشانده می‌شود. این مانع ذرات از دست رفته را تقریباً با كارآیی 100% به پلاسما باز می‌گرداند. گروه پژوهش TFTR آزمایش‌هایی را دنبال كرد كه در آنها از تخلیع هلیوم بلند تپ و دوتریوم كم چگالی استفاده شد تا موانع را از گاز به دام افتاده تهی كنند. وقتی برای گرم كردن پلاسما از تزریق باریكه خنثی استفاده شد (با موانع تهی از گاز) نتایج بسیار خوبی به دست آمد. اتم‌های دوتریوم خنثی با انرژی keV95 كه در این آزمایشها تزریق شدند، به عمق پلاسماهای كم چگالی TFTR نفوذ كردند و سبب شدند كه نمایه‌های چگالی دارای قله‌های مشخص باشد و سیستم از خواص محصور سازی عالیی برخوردار باشد.
در بهترین تخلیه‌ها، با جریان پلاسمایی در حدود MA1، كل انرژی ذخیره شده به اندازه یك ضریب 3 بیشتر از مقادیری بود كه قبلاً بر اساس قوانین مقیاس پیش‌بینی شده بود. آهنگ تولید نوترون در واكنش d-d در توان تزریقی MW17 به بیشینه s/1015×9 رسید. از آنجا كه در پلاسمای توكامك معمولاً جزء الكترون حرارتی از بدترین عایق بندی حرارتی برخوردار است، بهبود تخلیه‌ها به اندازه یك ضریب 2 نسبت به پیش‌بینی‌های قوانین مقیاس، با توجه به انرژی ذخیره شده الكترون، بسیار رضایت‌بخش است. جالب‌ترین جنبه این پلاسماها دمای مركزی یون‌ها بود كه به keV20 رسید. حاصلضرب nτ اندكی بیش از 3m/s1019 بود. برای مقایسه، بیشترین دمایی كه در توكامك PLT در پرینستون به دست آمد برابر keV7 با nτ ای معادل 3m/s1018 بود.
این نتایج متضمن چشم انداز مساعدی برای پیشرفت آتی TFTR برای رسیدن به انرژی سربه‌سر، است. یكی از اهداف اولیه TFTR یعنی حصول به 3m/s1019τ= در دمای یونی keV10، قبلاً حاصل شده است. یك ساچمه تزریق كن ORNL با ظرفیت بیشتر اخیراً نصب شده است و دارد آماده كار می‌شود. این وسیله، پژوهش در زمینه تزریق ساچمه به داخل تخلیه‌های TFTR با توان زیاد را ممكن می‌سازد. قرار است كه قدرت رادیو فركانس در گستره فركانس‌های سیكلوترون یونی، به عنوان مكمل تزریق باریكه خنثی به كار گرفته شود و بدین طریق مركز تخلیههای بسیار چگال با تزریق ساچمه گرم شود. از جنبه‌های جالب توجه تخلیه‌های یونی در دماهای زیاد آن است كه دمای یونی، گسیل نوترون، انرژی كل ذخیره شده همگی در پایان تپ باریكه‌ای نیم ثانیه‌ای فعلی، همچنان روبه افزایش‌اند. آزمایشگاه لاورنس – بركلی، كه سیستم اولیه باریكه خنثی را ساخت، برای TFTR یك دسته چشمه یونی بلند – تپ، با تپ‌های s2 و MW27 در keV120 تهیه می‌كند. علاوه بر این در آزمایش‌هایی كه در آن‌ها جریان پلاسما در s/MA1 به سرعت افزایش می‌یافت، نشان داده شد كه بالای سطوحی كه از MA1 قابل حصول است، محصورسازی سراسری با افزایش جریان بهبود می‌یابد. بنابراین ممكن است كه حد نهایی جریان TFTR(MA3) در این رژیم با استفاده از باریكه‌های بلند – تپ قابل حصول باشد و از این راه پیشرفت بیشتری در محصورسازی حاصل شود.