JET (พลังงานฟิวชั่น)

JET เป็นคำย่อของ en:Joint European Torus เป็นการทดลองด้านฟิสิกส์ของพลาสมาที่ถูกเก็บกักด้วยอำนาจแม่เหล็ก ตั้งอยู่ในออกซฟอร์ดเชอร์ ประเทศสหราชอาณาจักร ปัจจุบันเป็นสถานที่ที่ใหญ่ที่สุดในการดำเนินงานที่มีวัตถุประสงค์หลักคือเพื่อเปิดทางไปสู่เครื่องปฏิกรณ์แบบ tokamak เพื่อการทดลอง นิวเคลียร์ฟิวชั่นในอนาคต เช่น เครื่องปฏิกรณ์เพื่อการทดลองเทอร์โมนิวเคลียร์ระหว่างประเทศ (อังกฤษ: International Thermonuclear Experimental Reactor) หรือ en:ITER และ โรงไฟฟ้าสาธิต (อังกฤษ: DEMOnstration Power Plant) หรือ en:DEMO

งานก่อสร้าง

สิ่งอำนวยความสะดวกทั้งหมดของ JET ตั้งอยู่บนอดีตสนามบินกองทัพเรือใกล้ Culham ออกซฟอร์ดเชียร์ที่ชื่อว่า RNAS Culham (HMS Hornbill) ในประเทศสหราชอาณาจักร อาคารที่ทำการของโครงการได้รับการก่อสร้างโดย Tarmac Construction เริ่มต้นในปี 1978 ที่มีห้องโถงรูปห่วงยางหรือโดนัท (อังกฤษ: Torus Hall) ที่เสร็จสมบูรณ์ในเดือนมกราคม 1982 การก่อสร้างของตัวเครื่อง JET เองเริ่มทันทีหลังจากการก่อสร้าง Torus Hall เสร็จสิ้น การทดลองพลาสม่าครั้งแรกทำในปี 1983

ส่วนประกอบทั้งหมดสำหรับเครื่อง JET มาจากผู้ผลิตทั่วยุโรป โดยส่วนประกอบเหล่านี้ถูกส่งไปยังสถานที่ตั้งของ JET

เนื่องจากเครื่อง tokamak ต้องการพลังงานที่สูงมากและ ความจริงที่ว่าพลังงานจากกริด (ไฟฟ้า)หลักมีจำกัด เครื่องปั่นไฟแบบ flywheel ขนาดใหญ่สองเครื่องจึงถูกติดตั้งขึ้นมาเพื่อให้พลังงานที่จำเป็นนี้ แต่ละ flywheel ขนาด 775 ตัน สามารถหมุนได้ถึง 225 รอบต่อนาที เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหนึ่งเครื่องจะให้พลังงานกับขดลวดสนามแบบ toroid 32 ขด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าอีกเครื่องให้พลังงานขดลวดสนามแบบ poloid ภายใน ขดลวดสนามด้านนอกดึงพลังงานจากกริด

Timeline

(Source)

• 1973 - เริ่มต้นงานออกแบบ
• 1977 - สถานที่ Culham ได้รับเลือกและงานก่อสร้างก็เริ่มขึ้น
• 25 มิถุนายน 1983 - การทดลองพลาสม่าที่ประสบความสำเร็จอย่างมากเป็นครั้งแรกที่ JET
• 9 เมษายน 1984 - JET เปิดอย่างเป็นทางการโดย สมเด็จพระราชินีอลิซาเบธ ที่สอง
• 9 พฤศจิกายน 1991 - การเปิดตัวของการควบคุมพลังงานฟิวชั่นครั้งแรกของโลก
• 1993 - JET ได้แปลงรูปแบบการทำงานให้เป็นแบบ Divertor
• 1997 - JET ผลิตพลังงานฟิวชั่นได้ 16 เมกะวัตต์ (สถิติโลก)
• 1998 - การจัดการระยะไกลครั้งแรกที่ใช้สำหรับการทำงานในเรือ
• 2000 - การใช้งานร่วมกันของ JET กับโปรแกรมทางวิทยาศาสตร์จะถูกจัดการผ่านข้อตกลง การพัฒนาฟิวชั่นยุโรป (อังกฤษ: European Fusion Development Agreement (EFDA))
• 2006 - JET เริ่มดำเนินการด้วยรูปแบบการทำงานของแม่เหล็กเหมือน ITER
• 2009-2011 การติดตั้งผนังเหมือน ITER

ประวัติการดำเนินงาน

ในปี 1970 สภาประชาคมยุโรปได้ตัดสินใจใช้โปรแกรมฟิวชั่นที่แข็งแกร่งและจัดหากรอบทางกฎหมายที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ฟิวชั่นสำหรับยุโรปเพื่อให้มีการพัฒนาขึ้น สามปีต่อมา งานออกแบบก็เริ่มต้นขึ้น สำหรับเครื่อง JET ในปี 1977 งานก่อสร้างเริ่มต้นและในตอนท้ายของปีเดียวกันกับสนามบินเดิมที่ Culham ในสหราชอาณาจักร ได้รับเลือกเป็นสถานที่สำหรับโครงการ JET ในปี 1978 "การดำเนินการร่วมกับ JET" ได้รับการยอมรับในฐานะเป็นนิติบุคคล เพียงห้าปีต่อมาการก่อสร้างแล้วเสร็จในเวลาและงบประมาณที่กำหนด 25 มิถุนายน 1983 พลาสม่าเครื่องแรกของ JET ก็ประสบความสำเร็จ และในวันที่ 9 เมษายน 1984 สมเด็จพระราชินีอลิซาเบธ ที่สอง ได้ทรงเปิดการทดลองฟิวชั่นนี้ในยุโรปอย่างเป็นทางการ

ในประวัติศาสตร์ของการวิจัยฟิวชั่น ปี 1991 มีความสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่ง: วันที่ 9 พฤศจิกายน การทดลองเบื้องต้นของทริเทียม (อังกฤษ: Preliminary Tritium Experiment) ประสบความสำเร็จในการเปิดตัวครั้งแรกของโลกของการควบคุมการใช้พลังงานฟิวชั่น หกปีต่อมาในปี 1997 สถิติโลกอีกอันหนึ่งก็ประสบความสำเร็จที่ JET นั่นคือ 16 เมกะวัตต์ของกำลังงานฟิวชั่นได้รับการผลิตจากการใช้กำลังงานที่นำเข้ารวม 24 เมกะวัตต์ - คิดเป็น 65% ของอินพุท หรือเทียบเท่ากับการผลิต 22 เมกะจูลของพลังงาน กำลังงาน 16 เมกะวัตต์ที่วัดได้เกิดขึ้นในช่วงเวลาน้อยกว่าหนึ่งวินาที และ 5 เมกะวัตตต์ได้เกิดขึ้นเป็นเวลา 5 วินาที

ระบบ"การจัดการระยะไกล"โดยทั่วไปเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชั่นตัวต่อมา และโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ทดลองในอนาคต นั่นคือ ITER ในปี 1998 วิศวกร JET พัฒนาระบบการจัดการระยะไกล ซึ่งเป็นครั้งแรกที่มันเป็นไปได้ที่จะแลกเปลี่ยนอุปกรณ์บางส่วนโดยการใช้เพียงมือเทียม

ในปี 1999 ข้อตกลงเพื่อการพัฒนาฟิวชั่นของยุโรป (EFDA) ได้ก่อตั้งขึ้นด้วยความรับผิดชอบ สำหรับการใช้งานร่วมกันในอนาคตของ JET เมื่อเปลี่ยนสหัสวรรษ "การดำเนินการร่วม" ได้สิ้นสุดลงและสิ่งอำนวยความสะดวกของ JET ได้เริ่มดำเนินการภายใต้สัญญากับ Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) (ขณะนั้นเป็น UKAEA) จากนั้น โปรแกรมทางวิทยาศาสตร์ของ JET ได้ถูกกำหนดโดย EFDA

ความทนทานและความยืดหยุ่นของการออกแบบเดิมของ JET ได้ทำให้มันเป็นไปได้สำหรับอุปกรณ์ที่จะพัฒนาที่มีความสนใจของชุมชนฟิวชั่นและตอบสนองความต้องการของ ITER JET ถูกดัดแปลงให้อยู่ในรูปแบบของ Divertor ในปี 1993 และเริ่มดำเนินการด้วยรูปแบบของแม่เหล็กเหมือนกับ ITER ในปี 2006 จาก ตุลาคม 2009 ถึงพฤษภาคม 2011 ผนังที่เหมือน ITER ถูกนำมาติดตั้ง

JET ถูกจัดตั้งแต่เดิมโดย ชุมชนพลังงานอะตอมยุโรป (อังกฤษ: European Atomic Energy Community (Euratom)) ที่มีระบบการจ้างงานที่ไม่เท่าเทียมที่ยอมให้พนักงานที่ไม่ใช่ชาวอังกฤษจะได้รับเงินเดือนมากกว่าสองเท่าของเงินเดือนชาวอังกฤษที่เทียบเท่า ในที่สุด เจ้าหน้าที่ชาวอังกฤษได้ประกาศว่าการปฏิบัติดังกล่าวผิดกฎหมาย และความเสียหายอย่างมากได้รับการจ่ายทดแทนที่ส่วนท้ายของปี 1999 ให้กับพนักงาน UKAEA (และต่อมาก็ให้ผู้รับเหมาบางคน) สิ่งนี่เป็นสาเหตุของการสิ้นสุดโดยทันทีของการดำเนินงานของ Euratom ในการใช้สิ่งอำนวยความสะดวกในพื้นที่นั้น

ในเดือนธันวาคมปี 1999 สัญญา"ระหว่างประเทศ"ของ JET สิ้นสุดลงและ จากนั้น สำนักงานพลังงานปรมาณูแห่งสหราชอาณาจักร (อังกฤษ: United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA)) เข้าดำเนินการต่อในการจัดการด้านความปลอดภัยและการทำงานของ สิ่งอำนวยความสะดวกของ JET ในนามของคู่ค้ายุโรป จากเวลานั้น (ปี 2000) โปรแกรมการทดลองของ JET ถูกร่วมประสานโดยหน่วยสนับสนุนอย่างใกล้ชิดของ EFDA

JET ดำเนินการตลอดปี 2003 กับปีสูงสุดในการทดลองโดยใช้จำนวนเล็กน้อยของ ไอโซโทป สำหรับส่วนใหญ่ของปี 2004 JET ปิดการทำงานสำหรับการอัพเกรดที่สำคัญ เพื่อเพิ่มพลังงานความร้อนทั้งหมดให้มีมากกว่า 40 เมกะวัตต์ เพื่อการศึกษาเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาของ ITER ที่จะเข้าดำเนินการ ในปลายเดือนกันยายนปี 2006 การรณรงค์เพื่อการทดลอง C16 ได้เริ่มต้นขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาสถานการณ์การดำเนินงานเหมือน ITER

ในเดือนตุลาคม 2009 ช่วงเวลาการปิด 15 เดือนได้เริ่มต้นขึ้น การปรับปรุงได้ทำกับ tokamak รวมถึงการเปลี่ยนชิ้นส่วนคาร์บอนในห้องสูญญากาศด้วยทังสเตนและเบริลเลียม เพื่อจะติดตั้งส่วนประกอบของ JET ให้สอดคล้องมากขึ้นกับที่วางแผนไว้สำหรับ ITER พลังงานความร้อนก็ถูกเพิ่มขึ้นอีก 50% ทำให้พลังงานลำแสงที่เป็นกลางที่สามารถใช้ได้กับพลาสม่าได้ถึง 34MW และความสามารถในการวินิจฉัยและการควบคุมได้รับการปรับปรุง โดยรวมแล้ว ชิ้นส่วนมากกว่า 86,000 ชิ้นมีการเปลี่ยนแปลงในหอรูปห่วงยางในระหว่างการปิดระบบ

ในช่วงกลางเดือนพฤษภาคม 2011 การปิดระบบได้ถึงจุดสิ้นสุด การรณรงค์ครั้งแรกของการทดลองหลังจากการติดตั้ง" ผนังเหมือน ITER" ได้เริ่มขึ้นในวันที่ 2 กันยายน 2011.

ความสามารถของอุปกรณ์

JET มีการติดตั้งด้วยอุปกรณ์ที่มีสิ่งอำนวยความสะดวกในการจัดการระยะไกล เพื่อรับมือกับกัมมันตภาพรังสีที่ผลิตขึ้นโดยเชื้อเพลิง deuterium-tritium (D-T) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงที่ถูกนำเสนอสำหรับรุ่นแรกของโรงไฟฟ้าพลังงานฟิวชั่น ในระหว่างที่การก่อสร้าง ITER ยังไม่เสร็จ JET ยังคงเป็นเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่มีขนาดใหญ่เท่านั้นที่มีสิ่งอำนวยความสะดวกที่อุทิศตนเพื่อการจัดการกับกัมมันตภาพรังสีที่ปล่อยออกมาจาก D-T ฟิวชั่น การผลิตพลังงานมีการทำลายสถิติโดยวิ่งจาก JET และ เตาปฏิกรณ์เพื่อการทดสอบปฏิกิริยาฟิวชั่น Tokamak (อังกฤษ: Tokamak Fusion Test Reactor (en:TFTR)) เมื่อใช้ส่วนผสมเชื้อเพลิง D-T ที่อัตราส่วน 50-50

ในระหว่างการรณรงค์ทดลองแบบเต็มที่ของเชื้อเพลิง D-T ในปี 1997 JET ประสบความสำเร็จทำสถิติโลกในการผลิตพลังงานฟิวชั่นสูงสุดที่ 16 เมกะวัตต์ ซึ่งเท่ากับกำไรที่วัดเป็นค่า Q ประมาณ 0.7 ค่า Q เป็นอัตราส่วนของพลังงานฟิวชั่นที่ผลิตได้เมื่อเทียบกับพลังงานความร้อนที่ใส่เข้าไป เพื่อให้บรรลุจุดเท่าทุน (อังกฤษ: break-even) ค่า Q จะต้องสูงกว่า 1 พลาสม่าที่เผาไหม้อย่างยั่งยืนด้วยตนเองต้องมีค่า Q เท่ากับ 5 เป็นด้วยตนเอง (เนื่องจากอนุภาคแอลฟามีพลังงานหนึ่งในห้าของพลังงานฟิวชั่น) และโรงไฟฟ้าจะต้องมีค่า Q อย่างน้อยเท่ากับ 10 ในปี 1998 เครื่อง en:tokamak รุ่น en:JT-60 อ้างว่าสามารถทำค่า Q ได้สูงถึง 1.25 อย่างไรก็ตาม ค่านี้ไม่ได้ประสบความสำเร็จภายใต้เงื่อนไขที่ใช้เชื้อเพลืง D-T จริง แต่เป็นการประเมินจากการทดลองที่ทำกับพลาสม่าของดิวเทอเรียม (D-D plasma) ที่บริสุทธิ์ การประเมินที่คล้ายกันยังไม่ได้ถูกกระทำสำหรับ JET แต่มันก็เป็นไปได้ว่าการเพิ่มขึ้นของ Q ในการวัดปี 1997 อาจสามารถประสบความสำเร็จถ้าได้รับอนุญาตให้ทำงานเต็มรูปแบบของเชื้อเพลิง D-T ในโครงการรณรงค์อื่น ในขณะนี้ได้มีงานที่เริ่มทำบน ITER ในการพัฒนาพลังงานฟิวชั่นให้ก้าวหน้าต่อไปอีก

ข้อมูลเครื่อง

• น้ำหนักของห้องสูญญากาศ: 100 ตัน
• น้ำหนักของขดลวดสนาม toroid: 384 ตัน
• น้ำหนักของแกนเหล็ก: 2800 ตัน
• วัสดุผนัง: เบริลเลียม ทังสเตน
• รัศมีพลาสม่าใหญ่สุด: 2.96 เมตร
• รัศมีพลาสม่าเล็กสุด: 2.10 เมตร (แนวตั้ง) 1.25 ม. (แนวนอน)
• ระยะเวลายอดแบนของชีพจร: 20-60 s
• สนามแม่เหล็ก toroidal (บนแกนพลาสม่า): 3.45 T
• กระแสพลาสม่า: 3.2 MA (พลาสม่าวงกลม), 4.8 MA (พลาสม่ารูป D)
• อายุการใช้งานของพลาสม่า: 5-30 s
• การให้ความร้อนช่วย:
  • การให้ความร้อนด้วยการฉีดลำแสงเป็นกลาง: ≤ 23 เมกะวัตต์
  • การให้ความร้อนจากคลื่นความถี่วิทยุ: ≤ 15 เมกะวัตต์
• การวินิจฉัยที่สำคัญ
  • กล้องวิดีโอแสงอินฟราเรด/แสงที่มองเห็นได้
  • ขดลวดแม่เหล็กจำนวนมาก - ให้การวัดสนามแม่เหล็ก, กระแสและพลังงาน
  • สเปกโทรสโกปีแบบกระจายของทอมสัน - ให้โปรไฟล์ของอุณหภูมิของอิเล็กตรอน และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของพลาสม่า
  • สเปกโทรสโกปีแบบแลกเปลี่ยนประจุ - ให้อุณหภูมิไอออนที่ไม่บริสุทธิ์, โปรไฟล์ความหนาแน่นและการหมุน
  • Interferometer - วัดความหนาแน่นของพลาสม่าแบบบูรณาการเส้น
  • เสาอากาศการปล่อย cyclotron อิเล็กตรอน - โปรไฟล์อุณหภูมิของอิเล็กตรอนความละเอียดสูง, รวดเร็ว
  • สเปกโตรมิเตอร์สำหรับแสงที่มองเห็นได้/รังสียูวี/X-ray - อุณหภูมิและความหนาแน่น
  • การวินิจฉัยนิวตรอน:
    • การนับนิวตรอน: จำนวนนิวตรอนที่ออกจากพลาสม่าเกี่ยวข้องโดยตรงกับการใช้พลังงานฟิวชั่น
    • นิวตรอนสเปกโทรสโกปี - พลังงานนิวตรอนที่เกี่ยวข้องกับการกระจายความเร็วไอออน และด้วยเหตุนี้ทำให้เกิดปฏิกิริยาเชื้อเพลิง
  • en:Bolometers - การสูญเสียพลังงานจากพลาสม่า
  • หัววัดวัสดุต่างๆ - ที่ใส่เข้าไปในพลาสม่าเพื่อใช้วัดโดยตรงของอัตราการไหลและอุณหภูมิ
  • กล้อง X-ray แบบซอฟต์แวร์ในการตรวจสอบคุณสมบัติด้าน MHDของพลาสมา
  • จอเฝ้าดูผลผลิตนิวตรอนที่มีการแก้ไขตามเวลา
  • จอเฝ้าดูเอกซเรย์แบบฮาร์แวร์
  • เครื่องสแกนเนอร์เชิงพื้นที่สำหรับการปล่อย Cyclotron ของอิเล็กตรอน (อังกฤษ: Electron Cyclotron Emission Spatial Scanners)

อนาคต

นักวิทยาศาสตร์ที่อ๊อกฟอร์ดชายร์กำลังเตรียมความพร้อมสำหรับชุดทดสอบฟิวชั่นที่จะเริ่มต้น ในปี 2015 พวกเขาหวังที่จะทำลายสถิติของตัวเองจาก 16 เมกะวัตต์ของพลังงานฟิวชั่น

ดูเพิ่ม

• พลังงานฟิวชั่น