The Fairy Tale Of Nuclear Fusion

Preface......Page 6
Acknowledgements......Page 12
Contents......Page 13
Acronyms and Abbreviations......Page 20
Part I  Introductory Chapters......Page 28
1.1 Introduction......Page 29
1.2 Some Basic Nuclear Physics......Page 34
1.3 Stellar Processes and Quantum Mechanics......Page 40
1.4 Nuclear Fusion of Light Elements......Page 44
2.1.1 General......Page 50
2.1.2 Temperature......Page 52
2.1.4 Physics of Plasmas......Page 53
2.2 Plasma in Nuclear Fusion Devices......Page 56
2.2.1 The Lawson Criterion......Page 57
2.2.2 Plasma Heating......Page 60
2.2.3 Lorentz Force and Particle Trajectory in a Magnetic Field......Page 62
2.2.5 Plasma Modelling......Page 64
2.3.1 Introduction......Page 69
2.3.2 Classification of Plasma Instabilities......Page 71
2.3.3 Rayleigh–Taylor Instability......Page 73
Part II  Early Fusion Activity and The Rise of the Tokamak......Page 75
3.1.1 The Pinch Effect......Page 76
3.2 Early British Efforts......Page 78
3.3.1 Introduction......Page 86
3.3.2 Pinch Devices......Page 89
3.3.3 Early Stellarator......Page 92
3.3.4 Mirror Devices......Page 96
3.3.5 Other US Programmes......Page 102
3.4 Declassification......Page 107
3.5.1 The Birth of the Tokamak......Page 113
3.5.2 The Story of Oleg Aleksandrovich Lavrentiev......Page 114
3.5.3 The Magnetic Thermonuclear Reactor......Page 116
3.5.4 Soviet Experiments from 1955–1969......Page 120
4.1 Introduction......Page 123
4.2 The Triumph of the Tokamak......Page 128
4.3.1 Basic Design......Page 131
4.3.2 Fundamental Tokamak Parameters......Page 135
4.3.4 Evolution of the D-Shape......Page 138
4.3.5 Divertors......Page 141
4.4 The Glory Years: The 1970s and a Change of Direction......Page 144
5.1 Introduction......Page 150
5.2 United States......Page 151
5.2.2 Adiabatic Toroidal Compressor (ATC) and Princeton Large Torus (PLT)......Page 153
5.2.3 Oak Ridge National Laboratory......Page 155
5.2.4 Massachusetts Institute of Technology (MIT)......Page 157
5.2.5 General Atomic......Page 160
5.2.6 Other Activities in the US......Page 163
5.3 The Soviet Programme......Page 164
6.1 Introduction......Page 172
6.3 Germany......Page 174
6.3.1 High-Confinement Mode (H-Mode)......Page 178
6.3.2 Edge-Localised Modes (ELMs)......Page 179
6.4 France......Page 181
6.5 Italy......Page 184
6.6 Other European Countries......Page 186
7.2 Japan......Page 189
7.3 South Korea......Page 192
7.5 China......Page 194
7.6 Australia......Page 199
7.7 Miscellaneous......Page 201
8.1 Introduction......Page 203
8.2 Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR)......Page 206
8.3 Breakeven......Page 209
8.4 TFTR Continued......Page 211
8.5 Joint European Torus (JET)......Page 216
8.6 JT-60......Page 231
8.7 Conclusion......Page 236
Part III  Intermezzo......Page 238
9.1 Synopsis......Page 239
9.2 Roadmap to Fusion......Page 247
9.3 Summary......Page 255
Part IV  High Noon......Page 257
10.1 Introduction......Page 258
10.2 INTOR......Page 259
10.3 The Birth (Pangs) of the ITER Project......Page 261
10.4 The First ITER Design......Page 263
10.5 The Revised ITER Design......Page 266
10.6 Details of the New ITER Design......Page 271
10.7 Site Selection and Construction......Page 280
10.8 Cost......Page 285
10.9 Conclusion......Page 289
11.1 Introduction......Page 295
11.2 Alleged Advantages of the Spherical Tokamak......Page 297
11.3 Alternative Current Drive......Page 299
11.4 The START, MAST and NSTX Spherical Tokamaks......Page 303
11.5 Overview of Other Spherical Tokamaks in the World and Their Research......Page 311
11.6 Private Companies Pursuing Spherical Tokamak Research......Page 316
11.7 Some Considerations of Power Plant Design Based on the ST Concept......Page 321
11.8 Conclusion and Prospects......Page 323
12.1 Basics......Page 326
12.3 Direct and Indirect Drive......Page 330
12.4 Ignition......Page 333
12.5 Instabilities......Page 336
12.6 Fuel Capsule Design......Page 339
12.7 National Ignition Facility......Page 341
12.8 Funding of ICF in the US......Page 351
12.9 Activities in Other Countries......Page 352
12.10 Direct Drive......Page 355
12.11 Alternative Drivers and Methods......Page 358
12.12 Conclusion......Page 362
13.1 Return of the Stellarator......Page 363
13.1.1 Spatial and Classical Stellarators and Torsatrons......Page 365
13.1.2 Torsatrons at Kharkov (Ukraine)......Page 367
13.1.3 Heliacs......Page 368
13.1.5 Wendelstein 7-X......Page 369
13.1.6 Other Stellarators and Hybrid Devices......Page 375
13.2 Revival of Magnetic Mirrors......Page 377
13.2.1 The Gas Dynamic Trap......Page 378
13.2.2 Gamma-10 Experiment......Page 380
13.2.3 Other Devices......Page 381
13.2.4 Conclusion......Page 382
13.3 Revival of Research in Pinches......Page 383
14.1 Introduction......Page 384
14.2 Alternative Fuels......Page 386
14.3 Non-mainstream Magnetic Confinement Devices......Page 390
14.3.2 Field-Reversed Configuration (FRC)......Page 391
14.3.3 Spheromak......Page 392
14.3.4 Dynomak......Page 395
14.3.5 Rotamak......Page 396
14.3.6 Levitated Dipole......Page 397
14.3.7 Dense Plasma Focus (DPF)......Page 399
14.4 Cusp Confinement......Page 401
14.4.1 Picket Fence......Page 403
14.4.2 Tormac......Page 404
14.6 Inertial Electrostatic Fusion......Page 405
14.6.1 Fusor......Page 406
14.6.3 Polywell......Page 408
14.7 Magneto-Inertial Fusion (MIF)......Page 411
14.7.1 Magnetized Target Fusion (MTF)......Page 412
14.7.2 Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF)......Page 413
14.8 Conclusion......Page 415
15.1 Introduction......Page 417
15.2 Commonwealth Fusion Systems (CFS)......Page 420
15.3 Privately Funded Non-mainstream Approaches......Page 422
15.3.1 Magnetized Target Fusion......Page 424
15.3.2 Inertial Electrostatic Fusion......Page 426
15.3.3 Hydrogen-Boron Fusion......Page 431
15.3.4 Inertial Confinement Fusion (ICF)......Page 435
15.3.5 Miscellaneous......Page 438
15.4 Conclusion......Page 441
16.1 Introduction......Page 444
16.2 The International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF)......Page 447
16.3 The Fusion Nuclear Science Facility and Materials Plasma Exposure Experiment......Page 452
16.4 The First Wall......Page 453
16.5 The Divertor......Page 454
16.6 Tritium Breeding......Page 455
16.7 Disruptions......Page 457
16.8 Suppression of Large ELMs......Page 459
16.9 Superconducting Magnets......Page 461
16.10 Conclusion......Page 464
17.1 Introduction......Page 466
17.2 Plans of the Various ITER Members......Page 467
17.3 Prospects......Page 474
17.4 Power Plant Studies......Page 475
17.4.1 ARIES Program......Page 477
17.4.2 Power Plant Studies Outside the US......Page 480
17.5 Inertial Fusion Power Plants......Page 482
17.5.1 IFE Power Plant Design in the US......Page 485
17.5.2 Z-Pinches......Page 487
17.5.3 The Lawrence Livermore LIFE Project......Page 488
17.5.4 Efforts Outside the US......Page 491
17.6 Heavy-Ion Fusion......Page 492
17.7 Conclusion......Page 494
Part V  Concluding Chapters......Page 496
18.1 Introduction......Page 497
18.2 Cost......Page 499
18.3 Painting Rosy Pictures......Page 501
18.4 Lawrence Lidsky......Page 505
18.5 Robert L. Hirsch......Page 507
18.6 Criticism of ITER......Page 508
18.7 Criticism of Other Fusion Endeavours......Page 515
18.8 Conclusion......Page 516
19.1 General Considerations......Page 518
19.2.1 Lithium, Beryllium and Lead......Page 522
19.3 Analyses of fusion’s Potential Contribution to the Energy Mix......Page 530
19.4 Price of Electricity from Fusion......Page 533
19.5 Conclusion......Page 536
20.1 Introduction......Page 539
20.2 Tritium......Page 541
20.3 Radioactive Waste......Page 544
20.4 Scarcity of Materials......Page 545
20.5 Plasma Disruptions and Quenching......Page 547
20.6 Water Usage......Page 548
20.7 Earthquakes, Floods, Storms......Page 549
20.9 Conclusion......Page 550
21.1 Introduction......Page 553
21.2 Neutron Sources......Page 555
21.3 Fusion-Fission Hybrids......Page 557
21.5 Military Aspects......Page 562
21.6 Involvement of Industry......Page 563
21.7 Conclusion......Page 564
 Summary and Final Conclusion......Page 565
 Glossary......Page 571
Literature......Page 583
Index......Page 598