معمل برينستون لفيزياء البلازما

في عام 1950 ، كان جون ويلر يُنشئ مختبراً سرياً للأبحاث [قنبلة هيدروليكية] في جامعة برينستون. كان ليمان سبيتزر جونيور ، أحد متسلقي الجبال الشغوفين ، على دراية بهذا البرنامج واقترح اسم "Project Matterhorn".[5]

شارك سبيتزر ، أستاذ علم الفلك ، لسنوات عديدة في دراسة الغازات المتخلخلة شديدة الحرارة في الفضاء بين النجوم. أثناء مغادرته في رحلة تزلج إلى [أسبن ] في فبراير 1951 ، اتصل به والده وأخبره أن يقرأ الصفحة الأولى من "نيويورك تايمز". نشرت الصحيفة قصة عن ادعاءات صدرت في اليوم السابق في الأرجنتين بأن عالمًا ألمانيًا غير معروف نسبيًا يُدعى رونالد ريختر قد حقق اندماجًا نوويًا في مشروع هويمول.[6] رفض سبيتزر هذه الادعاءات في النهاية ، وثبت لاحقًا أنها خاطئة ، لكن القصة دفعته إلى التفكير في تفاعل الاندماج النووي. أثناء ركوبه الحافلة الهوائية في أسبن ، توصل إلى فكرة جديدة لحصر البلازما لفترات طويلة حتى يمكن تسخينها إلى درجات حرارة الاندماج. أطلق على هذا المفهوم اسم ستيلاراتور اشارة إلى التفاعلات الاندماجية التي تتم في النجوم .

في وقت لاحق من ذلك العام ، أخذ هذا التصميم إلى هيئة الطاقة الذرية في واشنطن. نتيجة لهذا الاجتماع ومراجعة للاختراع من قبل العلماء في جميع أنحاء البلاد ، تم تمويل اقتراح الستيلاراتور في عام 1951. حيث أن الجهاز سينتج نيوترونات ذات طاقة عالية، التي يمكن استخدامها في تفجير وقود الأسلحة النووية؛ و تم تصنيف البرنامج وتنفيذه كجزء من مشروع ماترهورن. أنهى ماترهورن في النهاية مشاركته في مجال صناعة القنابل في عام 1954 ، وأصبح مكرسًا بالكامل لمجال طاقة الاندماج.

في عام 1958 ، تم رفع السرية عن هذا البحث عن الاندماج بالحصر المغناطيسي بعد مؤتمر الأمم المتحدة الدولي حول الاستخدامات السلمية للطاقة الذرية. أدى هذا إلى تدفق طلاب الدراسات العليا المتحمسين لتعلم الفيزياء "الجديدة" ، والتي بدورها أثرت على المختبر للتركيز بشكل أكبر على البحوث الأساسية.[7]

تضمنت النماذج التجريبية المبكرة 8 من الأشكال: Model-A ، و Model-B ، و Model-B2 ، و Model-B3.[8] كان آخر وأقوى ستيلاراتور منها في ذلك اتخذ شكلا يشبه "مضمار السباق" Model C stellarator (عمل من 1961 إلى 1969).[9]

بحلول منتصف الستينيات ، كان من الواضح أن شيئًا ما كان خطأً جوهريًا في الستلاراتوات النجومية المختبرة ، حيث قاموا بتسريب الوقود بمعدلات تفوق بكثير ما تنبأت به النظرية ، وهي معدلات جعلت التحكم في الطاقة من البلازما إلى ما هو أبعد بكثير مما يمكن أن تنتجه تفاعلات الاندماج. أصبح سبيتزر متشككًا للغاية في أن طاقة الاندماج ممكنة ، وعبر عن هذا الرأي بطريقة عامة جدًا في عام 1965 في اجتماع دولي في المملكة المتحدة . وفي نفس المنتدى أعلن الوفد السوفيتي عن نتائج أفضل بنحو 10 مرات من أي جهاز سابق، والذي وصفه سبيتزر بأنه خطأ في القياس.

في المؤتمر الفيزيائي التالي في عام 1968 ، قدم السوفييت بيانات أكثر من أجهزتهم أظهرت أداءً أكبر ، حوالي 100 ضعف حد انتشار بوم. اندلع جدال هائل بين هيئة الطاقة الذرية الأمريكية AEC والمختبرات المختلفة حول ما إذا كان هذا حقيقيًا. وعندما تحقق فريق علماء بريطاني من النتائج في عام 1969 ، اقترحت هيئة الطاقة الذرية الأمريكية أن يقوم مختبر برينستون PPPL بتحويل نموذجها C إلى توكاماك لاختبارها ، حيث أن المختبر الوحيد الذي كان يرغب في بناء واحد جديد منها ، وهو مختبر أوك ريدج الوطني ، سيحتاج لوقت أطول للبناء . ونظرًا لإنخراط معمل برينستون في مجال الاندماج ، وافق مختبر برينسون في النهاية على تحويل النموذج C إلى ما أصبح متماثلا لـ Tokamak (ST) للتحقق بسرعة من النهج.

اتبعت آلتان صغيرتان توكوماك ST ، لاستكشاف طرق لتسخين البلازما ، ثم تولت تجربة حلقة برنستون الكبيرة [Princeton Large Torus] PLT لاختبار ما إذا كانت النظرية القائلة بأن الآلات الأكبر ستكون أكثر استقرارًا كانت صحيحة. ابتداءً من عام 1975 تحققت حلقة برينستون الكبيرة من "مبدأ التحجيم" ، ثم أضافت حقن شعاع محايد من أوك ريدج الذي نتج عنه سلسلة من درجات حرارة البلازما التي سجلت أرقامًا قياسية، والتي تجاوزت في النهاية 78 مليون كلفن ، وهو ما يتجاوز بكثير التوقعات لاندماج عملي. كان نجاحها خبرا رئيسيا.

مع هذه السلسلة من النجاحات ، لم تواجه مختبر برينستون مشكلة كبيرة في الفوز بعطاء لبناء آلة أكبر ، مصممة خصيصًا للوصول إلى "نقطة التعادل" للطاقة أثناء التشغيل على وقود اندماج فعلي ، بدلاً من غاز اختبار . أنتج هذا مفاعل اختبار الانصهار توكاماك أو TFTR ، الذي اكتمل في عام 1982. بعد فترة اختبار طويلة ، بدأ TFTR ببطء في زيادة درجة حرارة وكثافة الوقود ، مع إدخال الديوتيريوم للغاز كوقود. في أبريل 1986 بيّن مزيجًا من الكثافة والحبس ، ما يسمى منتج الاندماج الثلاثي ، بما يتجاوز بكثير ما هو مطلوب لمفاعل عملي. في يوليو ، وصلت درجة الحرارة إلى 200 مليون درجة كلفن ، وهو ما يتجاوز بكثير ما هو مطلوب. ومع ذلك ، عندما تم تشغيل النظام في كلتا الحالتين في نفس الوقت ، إنتاج ثلاثي مرتفع بدرجة كافية ودرجة حرارة عالية ، أصبح النظام غير مستقر. فشلت ثلاث سنوات من الجهد في معالجة هذه المشكلات ، ولم يصل TFTR أبدًا إلى هدفه. استمر الفيزيائيون في إجراء الدراسات الأساسية حول هذه المشكلات حتى تم إغلاق التجربة في عام 1997.

.[10]

مع بداية من عام 1993 ، كان TFTR أول منتج في العالم يستخدم خليط 50/50 من الديوتيريوم - التريتيوم. وفي عام 1994 أُنتجت قدرة اندماج غير مسبوقة تبلغ 10.7 ميغاواط.[10]

في عام 1999 ، استنادًا إلى طريقة توكاماك الكروي ، بدأت تجربة الحلقة الكروية الوطنية NSTX تم نشرها على الإنترنت من PPPL. بتعاون علماء المختبرات مع الباحثين في علوم وتكنولوجيا الاندماج في منشآت أخرى ، محلية وأجنبية. يطبق الفيزيائييون المعرفة المكتسبة في أبحاث الاندماج على عدد من المجالات النظرية والتجريبية بما في ذلك علم المواد والفيزياء الشمسية والكيمياء و التصنيع.

في عام 1999 ، تم إطلاق تجربة الحلقة الكروية الوطنية . انهى إخماد مدمر للمغناطيس حدث بعد تشغيل لمدة 10 أسابيع في عام 2016 بعد تحسينات لمدة 4 سنوات إلى NSTX-U أنهى العمل عليه. هذا وكذلك خمسة مغناطيسات مماثلة رديئة من المفترض استبدالها في السنوات القليلة المقبلة (اعتبارًا من عام 2020).[11]

ثم تم إثبات تسخين التكافؤ الفردي في تجربة PFRC-1 بنصف قطر 4 سم في عام 2006. وبلغ نصف قطر البلازما في تجربةPFRC-2 بلغ 8 سنتيمتر. وصلت دراسات تسخين بالإلكترونات السريعة في PFRC-2 إلى 500 فولت مع أطوال نبضة 300 مللي ثانية.[12]

في عام 2015 أكملت PPPL تحسينات على التجربة NSTX وسُميت NSTX-U مما جعلها أقوى منشأة اندماج تجريبية، أو توكاماك ، من نوعها في العالم.[13]

وفي عام 2017 ، تلقت المجموعة منحة المرحلة الثانية من هيئة فحص الصناعة النووية NIAC جنبًا إلى جنب مع اثنين من NASA STTRs يمولان النظام الفرعي RF ونظام الملف الفرعي فائق التوصيل.[12]