Astron (reaktor termojądrowy)

Widok z góry Astrona, który był obsługiwany przez Komisję Energii Atomowej.

Astron to rodzaj urządzenia do syntezy jądrowej , którego pionierem był Nicholas Christofilos i zbudowany w Lawrence Livermore National Laboratory w latach 60. i 70. XX wieku. Astron zastosował unikalny system ograniczający, który pozwolił uniknąć kilku problemów spotykanych we współczesnych projektach, takich jak gwiazdozbiór i zwierciadło magnetyczne . Rozwój został znacznie spowolniony przez serię zmian w projekcie, które zostały wprowadzone przy ograniczonym nadzorze, co doprowadziło do powołania komitetu przeglądowego w celu nadzorowania dalszego rozwoju. Astron nie był w stanie osiągnąć celów wydajnościowych określonych dla niego przez komisję; finansowanie zostało anulowane w 1972 r., a prace rozwojowe zakończono w 1973 r. Wydaje się, że prace nad podobnymi projektami ujawniły teoretyczny problem w samym projekcie, który sugeruje, że nigdy nie można go było wykorzystać do praktycznego generowania.

Historia

Paul Weiss , Nicholas Christofilos i Eugene Laurer przed Astronem

Silne skupienie

Christofilos jest najlepiej znany z niezależnego wynalezienia koncepcji silnego ogniskowania , funkcji stosowanej w akceleratorach cząstek . Po raz pierwszy rozpoczął pracę w tym kierunku pod koniec lat czterdziestych XX wieku, prowadząc firmę instalującą windy, aw 1948 roku napisał list do ówczesnego Laboratorium Promieniowania Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, w którym przedstawił kilka pomysłów dotyczących ogniskowania akceleratora . Kiedy odesłali jego list, wskazując kilka problemów, rozwiązał je i napisał ponownie. Ten drugi list został zignorowany. W 1950 roku Christofilos złożył wniosek patentowy, który został przyznany w 1956 roku jako patent USA 2,736,799.

Mniej więcej w tym samym czasie Ernest Courant , Milton Stanley Livingston i Hartland Snyder z Brookhaven National Laboratory rozważali ten sam problem i opracowali to samo rozwiązanie, pisząc o nim w wydaniu Physical Review z 1 grudnia 1952 roku . Kiedy zobaczył gazetę, Christofilos zorganizował wycieczkę do Stanów Zjednoczonych, do której dotarł dwa miesiące później. Udając się do Brookhaven, ze złością oskarżył ich o kradzież pomysłu z jego patentu. Spotkał się również z członkami Komisji Energii Atomowej , a po spotkaniu z jego prawnikami zapłacili mu 10 000 dolarów za patent.

Propozycja Astrona

Wraz z zakupem patentu przyszła sława i wystarczająco dużo pieniędzy, aby Christofilos mógł wejść do amerykańskiego świata fizyki. W kwietniu 1953 roku wziął udział w spotkaniu Projektu Sherwood i przedstawił inny pomysł, nad którym pracował w Grecji, Astron.

Podstawowym pomysłem było wstrzyknięcie wysokoenergetycznych elektronów do lustra magnetycznego („zbiornika”). Elektrony byłyby przechwytywane w lustrze i tworzyły warstwę prądu w pobliżu zewnętrznej powierzchni zbiornika, którą nazwał „warstwą E”. Warstwa E sama wytworzyłaby potężne pole magnetyczne w miarę narastania, a gdy prąd osiągnął gęstość krytyczną, pola „odwróciły się” i złożyły w nową konfigurację zamkniętych linii, które utworzyły ciągły obszar ograniczający. Gdy warstwa E pomyślnie się uformuje, paliwo termojądrowe zostanie wstrzyknięte do obszaru wewnątrz niej i podgrzane w wyniku interakcji z warstwą E, aby doprowadzić ją do temperatury topnienia.

Ten układ rozwiązał jeden z głównych problemów związanych z podstawową koncepcją zwierciadła magnetycznego, które miało otwarte linie pola na końcach. Paliwo mogłoby podążać tymi liniami prosto z reaktora. W ten sposób z luster naturalnie wyciekała plazma , chociaż projektanci wierzyli, że mogą rozwiązać ten problem, uruchamiając maszyny w bardzo wysokich temperaturach. W praktyce wyciek okazał się nawet wyższy niż sugerowała podstawowa teoria i nigdy nie działał na poziomach, które mieli nadzieję osiągnąć.

W tamtym czasie Sherwood był nadal tajny, co stwarzało problemy, kiedy po raz pierwszy przedstawił koncepcję. Przed wejściem na scenę formuły z poprzedniej sesji zostały starannie wymazane z tablicy . Kiedy zapełniał tablicę własnymi równaniami, ktoś pomocny pokazał mu przyciski, które ją podniosły i odsłoniły nowe pod spodem. Ten nie został wymazany i doprowadził do pospiesznych wysiłków, aby zapobiec wyciekowi wrażliwych materiałów. Chcąc uniknąć powtórki, Christofilos otrzymał pracę w Brookhaven, gdzie mógł kontynuować pracę nad teorią astronomiczną.

Testy astronomiczne

Widok z boku urządzenia Astron, około 1966 r. Jednowarstwowy solenoid o długości 92 stóp jest zbudowany wokół aluminiowego naczynia próżniowego.

W 1956 roku Christofilos w końcu otrzymał poświadczenie bezpieczeństwa i natychmiast przeniósł się do obecnego Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), aby rozpocząć prace nad koncepcją Astron. Po dwóch latach poczyniono wystarczające postępy, aby mógł przedstawić swój pomysł na Atoms for Peace w Genewie w 1958 roku, wraz z modelem systemu, który proponowali zbudować. Składał się on z dwóch głównych części, butelki magnetycznej, w której miała być przechowywana plazma, oraz akceleratora cząstek, który dostarczał elektrony relatywistyczne.

Pomimo swojego sukcesu, Christofilos zawsze był outsiderem w laboratorium. Czas donosił, że „Nadal nie ma dyplomu z fizyki, a jego grecki akcent, grecka potoczność i zamiłowanie do namiętnych sporów sprawiają, że jest outsiderem”. Doprowadziło to do tarć w środowisku fizyków i wczesnych wezwań do zakończenia programu Astron. Przegląd całego projektu Sherwood z 1963 r . Doprowadził do formalnych wezwań do anulowania. Jednak program miał zwolenników w zarządzaniu programem kontrolowanej syntezy jądrowej, w szczególności Glenna Seaborga i Johna S. Fostera , obaj silnie powiązani z LLNL. W szczególności Foster był zaniepokojony grupami w Waszyngtonie, które dyktowały laboratoriom rozwój. Po poważnych dyskusjach zdecydowano, że program będzie kontynuowany, ale będzie musiał zademonstrować odwrócenie pola do 1965 roku.

Do 1963 roku zespół zaprojektował i zbudował nowy typ liniowego akceleratora indukcyjnego o wymaganych właściwościach. Projekt akceleratora wzbudził zainteresowanie jako broń z wiązką cząstek badana w ramach projektu Seesaw. Jednak podczas budowy zespół zdał sobie sprawę, że elektrony mogą swobodnie podróżować z powrotem do obszaru akceleratora. Christofilos rozwiązał ten problem, wprowadzając druty oporowe, które nieznacznie spowalniały elektrony po wejściu do zbiornika, więc nie miały już energii potrzebnej do powrotu.

Po pewnych pracach nad usunięciem błędów, pierwsze wyniki opublikowano w czerwcu 1964 r. Akcelerator zadziałał, działając przy 4 MeV i 120 amperach, i potwierdzono stabilną warstwę E, choć generującą tylko 2 A/cm prądu, zaledwie 0,05% pola diamagnetycznego wymaganego do odwrócenia pola. Prace były kontynuowane, aby osiągnąć cel odwrócenia z 1965 r., Ale ostatecznie zakończyły się niepowodzeniem. Jednak warstwa elektronów była stabilna, więc komitet Herba-Allisona zalecił jej kontynuację do następnego słupka milowego.

Do 1967 roku zostało to poprawione do 6%, ale wciąż było daleko od stabilnej warstwy E, którą urządzenie musiało osiągnąć. W 1968 roku Christofilos i T. Kenneth Fowler napisali raport z prośbą o mocniejszy akcelerator i ulepszenia czołgu.

Obserwacja

Fundusze na modernizacje zostały ostatecznie przyznane, ale tylko kosztem bezpośredniego nadzoru przez panel ad hoc utworzony przez AEC. W tym momencie „konwencjonalne” projekty, stellarator i lustro magnetyczne, od dawna pracowały na rzeczywistej plazmie i powoli zwiększały ciśnienie i temperaturę. Z drugiej strony Astron był jeszcze daleko od zbudowania pierwszej użytecznej warstwy E, która jest warunkiem wstępnym eksperymentów z plazmą.

Panel Ad Hoc wydał negatywny raport, narzekając, że zbyt wiele wysiłku włożono w kwestie operacyjne, takie jak wydajność akceleratora, przy niewielkim lub żadnym wysiłku w badania teoretyczne dotyczące tego, czy plazma będzie kiedykolwiek stabilna, nawet jeśli warstwa E mogłaby formować się. Co więcej, panel wskazał, że nikt poważnie nie badał, czy działający i stabilny Astron będzie wymagał więcej mocy do działania, niż jest w stanie uwolnić. Było to poważnym problemem w Astron, ponieważ jego relatywistyczne elektrony wypromieniowywałyby duże ilości energii z powodu promieniowania synchrotronowego elektronów .

Christofilos już to rozważał i zasugerował, że projekt operacyjny wykorzystywałby protony zamiast elektronów i nie powodowałby takiego samego poziomu strat energii. Jednak w tamtym czasie taki akcelerator nie istniał, a panel był bardzo sceptyczny, czy jego zbudowanie będzie proste.

Aktualizacja

Aktualizacje Astrona poszły naprzód i rozpoczęły działalność w 1969 roku. W tym okresie, zgodnie z radą Panelu, działy teoretyczne w LLNL zaczęły poważniej przyglądać się tej koncepcji. Budując modele komputerowe układu, najpierw zaatakowali problem „ułożenia”, polegający na tym, że poszczególne impulsy elektronów z akceleratora nie gromadziły się w warstwie E zgodnie z oczekiwaniami. Bruce Langdon wykazał, że układanie w stosy po prostu nie zadziała.

Jednak sugestia Fowlera uratowała Astrona przed tym problemem. Zauważył, że dodanie drugiego pola magnetycznego biegnącego przez środek zbiornika zmniejszyłoby ilość zewnętrznego pola potrzebnego do stworzenia warstwy E. Christofilos poszedł do przodu z tą zmianą i rozpoczął testy w 1971 roku; wykazało to znacznie lepszą wydajność zarówno przy zmniejszeniu prądu, jak i powodzeniu w wychwytywaniu elektronów. Pozwoliło to również na ułożenie dwóch impulsów, podnosząc pole do 15% siły diamagnetycznej.

Podczas gdy Astron pracował nad wieloma impulsami, zespół z Cornell University pracował nad podobnym projektem. Jednak ten relatywistyczny eksperyment z cewką elektronową (RECE) wykorzystywał pojedynczy długi impuls elektronów zamiast koncepcji układania w stos. Pod koniec 1971 roku ogłosili, że osiągnęli całkowite odwrócenie pola. Christofilos nie był pod wrażeniem; ten projekt nie byłby przydatny dla generatora termojądrowego w stanie ustalonym, tylko dzięki ciągłemu dodawaniu impulsów maszyna mogłaby się utrzymać.

Anulowanie

W obliczu ciągłych problemów z Astronem i pozornej łatwości, z jaką zespołowi RECE udało się osiągnąć cele, które pierwotnie sugerowali w 1968 roku, drugi panel ad hoc opublikował zjadliwy raport. Wśród problemów zauważyli, że zespół Astron szukał „pomysłowych sposobów na uniknięcie lub obejście trudności, zamiast je zrozumieć”. Roy Gould , szef programu kontrolowanej syntezy jądrowej w AEC, wyraźnie zezwolił na kontynuację projektu Astron, ale tylko pod warunkiem spełnienia szeregu celów w określonym czasie.

Kiedy Robert Hirsch przejął kontrolowane ramię syntezy jądrowej AEC w 1972 r., Zainicjował szeroko zakrojony przegląd w celu sklasyfikowania badanych podejść i wyeliminowania powielania i nisko opłacalnych projektów. Biorąc pod uwagę ekscytujące wyniki tokamaka wprowadzonego na rynek w 1968 roku, Hirsch preferował program obejmujący stosunkowo niewiele projektów, z których każdy miał znacznie większy budżet. Wiele programów, takich jak Astron, po prostu nie wydawało się przynosić żadnych krótkoterminowych korzyści, a Hirsch chciał je anulować.

W dniu 24 września 1972 r. Christofilos spotkał się z Jamesem Schlesingerem z AEC, ale nie zachował się żaden zapis ze spotkania. Po długim dniu udał się do lokalnego hotelu Holiday Inn , aby oszczędzić sobie długich dojazdów do domu. Tej nocy doznał rozległego zawału serca i zmarł.

Richard Briggs przejął kierowanie projektem aż do planowanej daty zamknięcia w czerwcu 1973 roku. Pod jego kierunkiem Astron powrócił do badania nowego pola stabilizującego wprowadzonego przez Fowlera i przy użyciu pojedynczych większych impulsów urządzenie osiągnęło 50% siły diamagnetycznej, znacznie większej niż Wysiłki Christofilosa z łańcuchami pulsacyjnymi. W ich raporcie końcowym stwierdzono, że „nagromadzenie warstwy E przez wstrzyknięcie wielu impulsów było generalnie nieskuteczne” i zauważono, że w momencie wyłączenia nadal nie rozumieli, jaki problem fizyczny ogranicza nagromadzenie.

Po Astronie

Chociaż Astron został zamknięty, przez jakiś czas kontynuowano pracę z RECE w Cornell. W ramach swojej pracy zespół podjął próbę przejścia z elektronów na protony. Jednak, jak niektórzy podejrzewali, „warstwa P” okazała się trudna do zbudowania, a odwrócenie pola za pomocą protonów nigdy nie zostało osiągnięte. Ostatnia wersja tego wysiłku, FIREX, została zamknięta w 2003 roku, po wykazaniu tego, co wydaje się być czysto teoretycznym powodem, dla którego koncepcja Astron nigdy się nie sprawdzi.

Relatywistyczny pierścień elektronowy również odegrał rolę w projekcie wyboistego torusa . Była to kolejna próba „zatykania końców” luster poprzez łączenie wielu luster od końca do końca w celu utworzenia torusa. Elektrony były napędzane do wysokich energii nie przez bezpośrednie wtryskiwanie, ale zewnętrzne ogrzewanie elektronowo-cyklotronowe (ECH) napędzane mikrofalami.

Opis

Urządzenie Astron składało się z dwóch sekcji, akceleratora liniowego i „zbiornika” lustra magnetycznego. Zostały one zbudowane pod kątem prostym, z wyjściem akceleratora strzelającym w bok zbiornika na jednym końcu.

Zbiornik był stosunkowo prostym przykładem koncepcji lustra magnetycznego , składającego się głównie z długiego solenoidu z dodatkowymi uzwojeniami na obu końcach, aby zwiększyć pole magnetyczne w tych obszarach i utworzyć lustro. W prostym zwierciadle jony w plazmie paliwowej były wtryskiwane pod kątem, więc nie mogły po prostu wypływać bezpośrednio z końców, gdzie pole było mniej więcej liniowe. Jednak na obu końcach znajdował się pierścieniowy obszar, z którego mogły wydostawać się jony o odpowiedniej energii, a różne obliczenia wykazały, że szybkość będzie dość wysoka.

Wstrzykując elektrony do lustra przed paliwem, warstwa E wytworzyłaby drugie pole magnetyczne, które spowodowałoby zagięcie pierścieniowych obszarów z powrotem do środka zbiornika. Powstałe pole miało kształt tuby i było bardzo podobne do konfiguracji Field-Reversed lub FRC. Główną różnicą między tymi urządzeniami jest sposób osiągnięcia odwrócenia pola; z warstwą E w Astronie i przez prądy w plazmie dla FRC. Podobnie jak w klasycznym zwierciadle, Astron wstrzykiwał elektrony do zwierciadła pod niewielkim kątem, aby zapewnić ich krążenie w środku zwierciadła.

Obecnie Astron jest często uważany za podklasę koncepcji FRC.

Zobacz też

Lista artykułów dotyczących plazmy (fizyki).

Cytaty

Bibliografia

Bromberg, Joan Lisa (1982). Fuzja: nauka, polityka i wynalezienie nowego źródła energii . MIT Naciśnij .
Coleman, Eliszewa (4 maja 2004). Grecki ogień: Nicholas Christofilos i projekt Astron w amerykańskim programie syntezy jądrowej (PDF) . Zarchiwizowane od oryginału (PDF) w dniu 7 stycznia 2017 r . Źródło 31 października 2011 r .