History	  of	  Mechanical	  Engineering	  	  for	  	  Fusion	  Research	  at	  Princeton	  ASME	  Historic	  Mechanical	  Engineering	  Landmark	  Presenta8on	  Phil	  Heitzenroeder	  and	  Dale	  Meade	  October	  5,	  2018	  Project	  MaJerhorn/PPL/PPPL	  AEC/ERDA/DOE	  Princeton	  University	  The	  Goal:	  Achieve	  A<rac=ve	  Fusion	  Power	  A	  Grand	  Challenge	  for	  Fusion	  Science	  A	  Greater	  Challenge	  for	  Mechanical	  Engineering	  !"#$%&'#%()*&+'&"",'&+)-#./'."0)%1)!%2",$3,&455645556)
1950
Construct
OperateMatterhorn

1960

1970

Model C Decade PPL Tokamaks

1980

1990

2000

PPPL/TFTR Era

2010
Beyond TFTR

A-B Stellarators (6)Model C Stellarator
Symmetric Tokamak (ST)
Floating Multipole-1 (FM-1)
Adiabatic Toroidal Compressor (ATC)Princeton Large Torus (PLT)
Poloidal Divertor Exp't (PDX/PBX/PBX-M)
Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR)

Next Step Designs (TFTR-II/TFCX/CIT/BPX/TPX/FIRE)"Spherical" Torus (NSTX/NSTX-U)
Optimized Stellarators (NCSX, W7-X)
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)
Plasma Diagnostics
Reactor/System Studies
Fundamental Plasma Physics/Graduate Education
L- Machines, ACT,..S-1, MRX,.. LTX!"#$%&'($%&'($%1951:	  	  The	  Birth	  of	  Princeton	  Fusion	  Energy	  Research	  First	  fusion	  Lab	  at	  Princeton	  University,	  	  formerly	  a	  rabbit	  hutch	  Model	  A	  Stellarator	  and	  Prof	  Spitzer	  Historic	  Milestone	  #1:	  	  Spitzer	  receives	  a	  $50k	  grant	  from	  the	  AEC	  for	  stellarator	  research.	  Project	  MaJerhorn	  is	  formed	  and	  located	  at	  Princeton	  University’s	  James	  Forrestal	  Research	  Center	  B-­‐site.	  	  	  A	  series	  of	  ﬁve	  larger	  B	  stellarators	  were	  built	  before	  1958.	  	  All	  secret	  fusion	  eﬀorts	  are	  beset	  by	  plasma	  instabili8es	  and	  make	  liJle	  progress.	  The	  world’s	  fusion	  energy	  programs	  are	  declassiﬁed	  in	  1958.	  Atoms	  for	  Peace:	  Model-­‐C	  Stellarator,	  1961-­‐1969	  Historic	  Milestone	  #2:	  constructed	  in	  4	  years	  for	  $32M	  by	  Allis	  Chalmers,	  RCA	  with	  Wes8nghouse	  personnel.	  	  	  Conﬁrmed	  that	  plasma	  instabili8es	  were	  limi8ng	  progress,	  and	  that	  led	  to	  the	  crea8on	  of	  a	  Plasma	  Physics	  Program	  at	  PPPL.	  Provided	  engineering	  and	  physical	  infrastructure	  for	  the	  next	  3	  decades.	  	  Symmetric	  Tokamak	  (1969	  -­‐	  1972)	  	  Historic	  Milestone	  #3:	  Converted	  from	  Model-­‐C	  Stellarator	  by	  PPPL	  mechanical	  engineering	  	  in	  only	  8	  months.	  	  Conﬁrmed	  Soviet	  breakthrough	  while	  increasing	  plasma	  performance	  and	  science	  understanding.	  Provided	  basis	  for	  a	  greatly	  expanded	  US	  magne8c	  fusion	  program.	  Princeton	  Large	  Torus	  (1972-­‐1988)	  Historic	  Milestone	  #4:	  	  PLT	  constructed	  in	  4	  years	  by	  PPPL	  Engineering.	  	  Breakthrough	  ion	  temperature	  over	  60	  million	  °C,	  August	  1978.	  	  	  Provided	  conﬁrma8on	  of	  decision	  to	  build	  TFTR	  already	  under	  construc8on.	  Bold	  Ambi=ous	  Goals	  for	  TFTR	  in	  1976	  TFTR	  Mission	  1976	  1.	  Study	  plasma	  physics	  of	  large	  tokamaks	  2.	  Gain	  experience	  with	  reactor	  scale	  engineering	  3.	  Demonstrate	  D-­‐T	  fusion	  energy	  produc8on.	  1	  to	  10	  MJ	  per	  pulse	  	  	  	  	  	  	  Engineering	  Challenges	  Magnet	  Energy	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  increased	  by	  100	  Plasma	  Volume	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  increased	  by	  10	  Plasma	  current	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  increased	  by	  10	  Plasma	  Hea8ng	  	  power	  	  	  	  increased	  by	  100	  DD	  to	  DT	  Fuel	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  safety	  and	  environmental	  Fusion	  Power	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  increased	  by	  	  108	  TFTR	  Constructed	  1976	  -­‐	  1982	  D-­‐Site	  1978	  October	  1977	  May	  1982	  Harold	  Furth,	  Don	  Grove,	  Paul	  Reardon,	  Milt	  Johnson	  	  	  MGB	  /	  PPPL	  Colloquium	  /	  141118	  September	  	  11982	  982	  PPPL	  9	  The	  Tokamak	  Fusion	  Test	  Reactor	  TFTR	  construc8on	  was	  completed	  in	  6.5	  years	  by	  an	  integrated	  team	  of	  PPPL,	  Ebasco	  and	  Grumman	  engineers.	  Aeer	  1st	  plasma	  on	  Dec	  24,	  1982,	  PPPL	  took	  control	  of	  the	  opera8on	  and	  addi8onal	  hardware	  installa8on	  required	  for	  full	  performance	  and	  DT	  opera8on.	  Countdown to the First High-Power DT Shot

December	  9,	  1993:	  	  Aeer	  9	  years	  of	  op8miza8on	  in	  deuterium	  opera8on,	  TFTR	  is	  running	  at	  full	  performance	  with	  high	  reliability.	  	  	  The	  DT	  Prep	  Project	  is	  complete.	  	  	  	  All	  systems	  are	  go	  for	  DT.	  	  	  	  	  	  	  10,	  9,	  8,	  7…	  The Reaction to the Reactions

DOE	  (Milt	  Johnson	  PAO	  Head,	  	  Steve	  Eckstrand	  FES	  TFTR	  Contract	  Monitor,	  John	  Willis	  FES	  Con-­‐ﬁnement	  Head)	  and	  Rich	  Hawryluk,	  PPPL	  	  TFTR	  Head,	  celebrate	  the	  1st	  DT	  pulse	  on	  TFTR.	  	  	  	  MGB / PPPL Colloquium / 141118

12

NY	  Times	  Front	  Page	  Historic	  Milestone	  #5:	  	  Tokamak	  Fusion	  Test	  Reactor	  •	  First	  use	  of	  DT	  fusion	  reactor	  fuel	  	  •	  First	  to	  produce	  >	  10	  MW	  of	  fusion	  power	  •	  First	  to	  document	  alpha	  par8cle	  physics	  •	  First	  closed	  cycle	  tri8um	  reprocessing	  system	  •	  Record	  density	  x	  conﬁnement	  8me	  -­‐1986	  •	  First	  to	  achieve	  100	  M°C,	  300	  M°C,	  500	  M°C	  •	  Record	  neutral	  beam	  hea8ng	  power	  	  40	  MW	  (33	  MW	  spec.)	  •	  Toroidal	  magnet	  operated	  beyond	  original	  speciﬁca8on	  •	  1	  MCi	  of	  tri8um	  was	  processed	  for	  	  1,000	  DT	  exp’ts	  over	  3	  years	  of	  safe,	  reliable	  DT	  opera8on	  •	  Successfully	  decommissioned	  and	  decontaminated	  	  1999-­‐2002	  	  These	  Historic	  Milestones	  are	  a	  measure	  of	  progress	  toward	  fusion	  energy,	  and	  represent	  the	  importance	  of	  the	  essen=al	  contribu=ons	  of	  PPPL	  mechanical	  engineering.	  Princeton	  Plasma	  Physics	  Laboratory	  (PPPL)