Szczypta Theta

Oryginalny Scylla został ukończony w 1958 roku i wkrótce zademonstrował pierwsze kontrolowane reakcje syntezy jądrowej. Komora reakcyjna to środek białej rurki po prawej stronie.

Theta-pinch lub θ-pinch to rodzaj konstrukcji reaktora termojądrowego . Nazwa odnosi się do konfiguracji pól magnetycznych używanych do ograniczania plazmowego w reaktorze, rozmieszczonych tak, aby krążyły wokół cylindra w kierunku zwykle oznaczanym jako theta na diagramach współrzędnych biegunowych . Nazwę wybrano, aby odróżnić ją od maszyn opartych na efekcie szczypania , który układał ich pola biegnące wzdłuż środka cylindra; stały się one znane jako typu Z , odnoszące się do osi Z we współrzędnych kartezjańskich .

Theta-pinch został opracowany głównie w Stanach Zjednoczonych, głównie w Los Alamos National Laboratory (LANL) w serii maszyn znanych jako Scylla. W 1958 roku Scylla I była pierwszą maszyną, która wyraźnie zademonstrowała termojądrowej syntezy deuteru w kontrolowany sposób. Stał się jednym z głównych kierunków badań nad syntezą jądrową w latach sześćdziesiątych. General Electric i Naval Research Laboratory również eksperymentowały z tą koncepcją, a później wiele międzynarodowych laboratoriów. Seria maszyn została ograniczona przez Scyllę IV, która wykazywała temperatury sięgające 80 milionów K , więcej niż wystarcza do podtrzymania płonącej plazmy. Podczas tych przebiegów Scylla IV wytworzyła miliardy reakcji termojądrowych.

Maszyny Scylla wykazywały również bardzo słabe czasy uwięzienia, rzędu kilku mikrosekund. Uważano, że było to spowodowane stratami na końcach rur liniowych. Scyllac (zamknięty Scylla) został zaprojektowany do przetestowania wersji toroidalnej, która tysiąckrotnie poprawiłaby uwięzienie. Błąd projektowy doprowadził do tego, że Scyllac nie był w stanie zbliżyć się do pożądanej wydajności, a Komisja Energii Atomowej Stanów Zjednoczonych zamknęła program w 1977 roku, aby skupić się na tokamaku i zwierciadle magnetycznym .

Część braku zainteresowania theta od lat 70. XX wieku wynika z odmiany projektu znanej jako konfiguracja odwróconego pola lub FRC, która była przedmiotem znacznych badań. W tej wersji indukowane pola magnetyczne są nakłaniane do przybrania zamkniętej formy, która zapewnia lepsze ograniczenie. Różnice są na tyle duże, że FRC są uważane za odrębne pojęcie. Podobnie skurcz theta jest często obserwowany w namagnesowanych systemach syntezy celów , ale te również znacznie różnią się od pierwotnej koncepcji.

Podstawy fuzji

Główny artykuł: Fuzja jądrowa

Fuzja jądrowa ma miejsce, gdy jądra , protony i neutrony zbliżają się do siebie na tyle, że siła jądrowa może je połączyć w jedno większe jądro. Temu działaniu przeciwstawia się siła elektrostatyczna , która powoduje, że naładowane elektrycznie cząstki o podobnych ładunkach, takie jak protony, odpychają się od siebie. Aby doszło do fuzji, cząsteczki muszą poruszać się wystarczająco szybko, aby pokonać tę barierę kulombowską . Siła jądrowa wzrasta wraz z liczbą jąder, a bariera kulombowska jest obniżana, gdy liczba neutronów w jądrach jest zmaksymalizowana, co prowadzi do maksymalizacji szybkości syntezy izotopów lżejszych pierwiastków, takich jak wodór i hel , z dodatkowymi neutronami .

Używając klasycznego elektromagnetyzmu , energie potrzebne do pokonania bariery kulombowskiej byłyby ogromne. Obliczenia znacznie się zmieniły w latach dwudziestych XX wieku, gdy fizycy badali nową dziedzinę nauki, jaką jest mechanika kwantowa . Artykuł George'a Gamowa z 1928 roku na temat tunelowania kwantowego wykazał, że reakcje jądrowe mogą zachodzić przy energiach znacznie niższych niż przewidywała teoria klasyczna. Korzystając z tej nowej teorii, w 1929 roku Fritz Houtermans i Robert Atkinson wykazali, że oczekiwane szybkości reakcji w jądrze Słońca wspierają Arthura Eddingtona z 1920 r., że słońce jest zasilane przez syntezę jądrową. W 1934 roku Mark Oliphant , Paul Harteck i Ernest Rutherford jako pierwsi dokonali syntezy jądrowej na Ziemi, używając akceleratora cząstek do wystrzelenia jąder deuteru w metalową folię zawierającą deuter, lit i inne pierwiastki. To pozwoliło im zmierzyć jądrowy przekrój poprzeczny różnych reakcji syntezy jądrowej i ustalić, że reakcja deuter-deuter zachodziła przy najniższej energii, osiągając szczyt przy około 100 000 elektronowoltów (100 keV).

Energia ta odpowiada średniej energii cząstek w gazie ogrzanym do około 10 miliardów kelwinów (K). Materiały ogrzane powyżej kilku tysięcy K dysocjują na swoje elektrony i jądra , tworząc gazopodobny stan materii znany jako plazma . W każdym gazie cząstki mają szeroki zakres energii, zwykle zgodnie ze statystyką Maxwella-Boltzmanna . W takiej mieszaninie niewielka liczba cząstek będzie miała znacznie większą energię niż masa. Prowadzi to do interesującej możliwości; nawet przy średnich temperaturach znacznie poniżej 100 keV, niektóre cząstki w gazie będą losowo miały wystarczającą energię, aby przejść syntezę jądrową. Reakcje te uwalniają ogromne ilości energii. Jeśli ta energia może zostać wychwycona z powrotem do plazmy, może ona również ogrzać inne cząstki do tej energii, dzięki czemu reakcja jest samopodtrzymująca. w 1944 r. Enrico Fermi obliczył, że nastąpi to przy około 50 milionach K dla paliwa deuterowo-trytowego.

Wykorzystanie tej możliwości wymaga, aby plazma paliwowa była utrzymywana razem wystarczająco długo, aby te przypadkowe reakcje miały czas zajść. Jak każdy gorący gaz, plazma ma ciśnienie wewnętrzne i dlatego chce się rozszerzać zgodnie z prawem gazu doskonałego . W przypadku reaktora termojądrowego problemem jest utrzymywanie plazmy pod tym ciśnieniem; każda znana substancja stopiłaby się w tych temperaturach. Ponieważ składa się z swobodnie poruszających się naładowanych cząstek, plazma przewodzi prąd elektryczny . To sprawia, że ​​podlega on działaniu pól elektrycznych i magnetycznych. W polu magnetycznym elektrony i jądra krążą wokół linii pola magnetycznego. Prostym systemem ograniczającym jest wypełniona plazmą rurka umieszczona wewnątrz otwartego rdzenia a solenoid . Plazma w naturalny sposób chce rozszerzać się na zewnątrz do ścianek tuby, jak również przemieszczać się wzdłuż niej, w kierunku końców. Solenoid wytwarza pole magnetyczne biegnące wzdłuż środka rury, po którym cząstki będą krążyć, zapobiegając ich ruchowi na boki. Niestety ten układ nie ogranicza plazmy wzdłuż długości rury, a plazma może swobodnie wypływać z końców. W przypadku maszyny czysto eksperymentalnej straty niekoniecznie stanowią poważny problem, ale system produkcyjny musiałby wyeliminować te straty końcowe.

Efekt szczypania

Na początku programu syntezy jądrowej szybko pojawiły się trzy projekty, które dotyczyły tych problemów. Stellarator był nieco skomplikowanym urządzeniem, ale miał pewne atrakcyjne cechy . Lustro magnetyczne i urządzenia z efektem szczypania były znacznie prostsze, pierwsze składało się ze zmodyfikowanego solenoidu, a drugie jest faktycznie wersją lampy fluorescencyjnej o dużej mocy . W szczególności szczypta wydawała się niezwykle prostym rozwiązaniem problemu uwięzienia i była aktywnie badana w laboratoriach w USA, Wielkiej Brytanii i ZSRR.

Gdy maszyny te zaczęto testować na wyższych poziomach zamknięcia, szybko stał się oczywisty poważny problem. Kiedy prąd został przyłożony, a plazma zaczęła zaciskać się w kolumnie, stawała się niestabilna, wiła się i ostatecznie uderzała w boki rury. Wkrótce zdano sobie sprawę, że było to spowodowane niewielkimi różnicami w gęstości gazu; po zastosowaniu wyładowania obszary, w których gęstość była nawet nieco wyższa, miałyby wyższy prąd, a tym samym większe ciśnienie magnetyczne. Spowodowałoby to szybsze ściskanie tego obszaru, dalsze zwiększanie gęstości, a reakcja łańcuchowa znana jako „załamanie” wypchnęła go z obszaru uwięzienia.

Na początku lat pięćdziesiątych wszystkie te wysiłki były tajne. Skończyło się to w 1956 roku, kiedy Igor Kurczatow , dyrektor sowieckiej bomby atomowej wysiłku, zaproponował wygłoszenie przemówienia swoim brytyjskim odpowiednikom. Ku wielkiemu zaskoczeniu wszystkich, Kurczatow nakreślił sowiecki program syntezy jądrowej, mówiąc głównie o liniowych skurczach i wielkich problemach, jakie mieli ze stabilnością plazmy. Brytyjczycy byli już świadomi, że Stany Zjednoczone mają podobne problemy i mieli też swoje własne. Teraz okazało się, że nie ma szybkiej drogi do fuzji i podjęto wysiłki w celu odtajnienia całego pola. Wszystkie trzy kraje ujawniły swoje badania w 1958 roku na drugim spotkaniu Atomy dla Pokoju w Genewie.

Szczypta Theta

Jednym ze sposobów rozwiązania problemów ze stabilnością obserwowanych w maszynach szczypcowych była koncepcja „szybkiego szczypania”. W tym podejściu prąd elektryczny, który generował szczyptę, był przykładany w jednym krótkim impulsie. Wybuch był zbyt krótki, aby spowodować zapadnięcie się całej plazmy, zamiast tego ściśnięte zostały tylko zewnętrzne warstwy, i to tak szybko, że fala uderzeniowa . Celem było wykorzystanie tej fali uderzeniowej do ściśnięcia plazmy zamiast normalnego szczypania, które próbowało zawalić całą kolumnę plazmy.

Zwierciadło i gwiezdny gwiazdozbiór nie skompresowały swojej plazmy w dużym stopniu i nie wydawały się mieć problemów ze stabilnością. Jednak te urządzenia miały praktyczny problem. W systemie zaciskania zapadnięcie się plazmy powodowało jej nagrzewanie, co oznaczało, że prąd zapewniał zarówno siłę uwięzienia, jak i ciepło potrzebne do rozpoczęcia reakcji syntezy jądrowej. W przypadku pozostałych urządzeń potrzebne byłoby zewnętrzne źródło ogrzewania. Richard Post , lider amerykańskiego programu luster w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), wyprodukował serię luster, które wykorzystywały zewnętrzne magnesy do kompresji plazmy.

W Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej (NRL) Alan Kolb zobaczył koncepcję kompresji lustrzanej i wpadł na pomysł połączenia jej z kompresją uderzeniową metody szybkiego szczypania, uzyskując zalety obu. Jego pierwsza koncepcja składała się z lustra z metalowym pierścieniem na obu końcach. Gdy w zwierciadle uformowała się plazma, do dwóch pierścieni wysłano pojedynczy ogromny impuls prądu. Pomysł polegał na spowodowaniu gwałtownego zaciśnięcia na obu końcach rurki, tworząc fale uderzeniowe, które poruszałyby się do wewnątrz i spotykały się na środku lustra.

Kiedy zastanawiali się nad tym projektem, pojawiło się zupełnie nowe podejście. W tej wersji szczypta była wywoływana przez pojedynczy szeroki arkusz miedzi owinięty raz wokół rury. Po zasileniu prąd płynął wokół zewnętrznej części rury, tworząc pole magnetyczne pod kątem prostym, biegnące wzdłuż długiej osi rury. Pole to z kolei indukowało prąd przepływający na zewnątrz plazmy, czyli "strefy granicznej".

Zgodnie z prawem Lenza , prąd ten byłby skierowany w kierunku, który wytwarza pole magnetyczne w kierunku przeciwnym do tego, który je wytworzył. Spowodowało to wypchnięcie pierwotnego pola z plazmy w kierunku tego w blasze miedzianej. To interakcja między tymi dwoma polami w obszarze między plazmą a ścianą pojemnika stworzyła siłę napędową skierowaną do wewnątrz, która ścisnęła plazmę. Ponieważ w większości plazmy nie było prądu, nie podlegała ona niestabilnościom obserwowanym w innych urządzeniach zaciskających.

Kiedy nowy projekt stał się znany w laboratoriach energetycznych, James L. Tuck z Los Alamos ochrzcił go mianem theta-pinch, aby odróżnić go od pierwotnego podejścia typu pinch. Oryginalne projekty szczypania z mocą wsteczną stały się znane jako Z-pinch. Inni również okazali zainteresowanie projektem; w General Electric (GE) utworzono mały zespół w celu rozważenia koncepcji jako podstawy reaktora wytwarzającego energię.

Sukces fuzji

Brytyjska ZETA została uruchomiona w sierpniu 1957 roku i pod koniec następnego miesiąca zespół konsekwentnie mierzył wybuchy milionów neutronów. Wizyta Kurczatowa rok wcześniej ostrzegała przed zbyt pochopnym wnioskiem, że neutrony w układzie są wynikiem syntezy jądrowej i że istnieją inne reakcje, które mogą je wytworzyć. Zespół ZETA nie rozważył tego wystarczająco dokładnie i doszedł do przekonania, że ​​wywołali reakcje syntezy jądrowej. Opublikowali to prasie 25 stycznia 1958 r. I od razu stało się to wiadomością na całym świecie. Jednak dalsze prace w kwietniu wyraźnie pokazały, że neutrony nie pochodziły z syntezy jądrowej, ale z niestabilności plazmy, której nie można było zobaczyć na ich sprzęcie testowym.

W NRL Kolb rozpoczął budowę nowej wersji swojej maszyny Pharos, aby przetestować koncepcję pojedynczego pierścienia. W tym samym czasie w Los Alamos Tuck rozpoczął budowę systemu z dwoma pierścieniami, podobnego do oryginalnego lustra Kolba. Lubiący mitologiczne imiona, Tuck nazwał projekt Scyllą. Scylla I rozpoczęła działalność na początku 1958 roku i wkrótce emitowała dziesiątki tysięcy neutronów na impuls. W tym czasie Keith Boyer rozpoczął modyfikację, aby użyć cewki jednoobrotowej, takiej jak Pharos. Kiedy nowa wersja została uruchomiona, zaczęła wydzielać dziesiątki milionów neutronów.

Wydarzenia związane z twierdzeniami ZETA zmusiły zespół Scylli do upewnienia się, że neutrony pochodzą z syntezy jądrowej, i zespół spędził lato 1958 r., dokonując w tym celu wszelkiego rodzaju niezależnych pomiarów. W tym czasie Pharos Kolba również produkował neutrony. Celem było uzyskanie ostatecznych wyników w taki czy inny sposób przed spotkaniem w Genewie. Niestety, po prostu zabrakło czasu; zespół wysłał Scyllę I na pokaz we wrześniu i wspomniał, że generował około 20 milionów neutronów na strzał, ale uważał, aby nie zgłaszać żadnych roszczeń co do ich pochodzenia.

Ostateczne dowody zostały dostarczone wkrótce po koncercie. Szeroka gama eksperymentów w systemie wykazała, że ​​jony termalizują w temperaturze około 15 milionów kelwinów, znacznie gorętszej niż ZETA i wystarczająco gorącej, aby wyjaśnić neutrony, gdyby pochodziły z reakcji syntezy jądrowej. Był to pierwszy wyraźny dowód na to, że reakcje termojądrowej syntezy deuteru w laboratorium były możliwe.

Późniejsze urządzenia

Zaniepokojony stale rosnącymi kosztami programu syntezy jądrowej Paul McDaniel, dyrektor Wydziału Badań Komisji Energii Atomowej Stanów Zjednoczonych (AEC), zdecydował, że budżet na rok budżetowy 1963 powinien anulować jeden projekt z wielu opracowywanych w laboratoriach. Tuck utrzymywał, że wszyscy badacze powinni skupiać się tylko na małych systemach, aby udowodnić fizykę, że nie ma sensu zwiększać skali, jeśli nie można zademonstrować podstaw. Tak więc Los Alamos posiadało dużą liczbę małych maszyn, pozostawiając je bez jednej koncepcji „zrób lub zepsuj”. McDaniel poniósłby najmniejsze konsekwencje polityczne, gdyby odwołał jeden z programów Los Alamos. To nauczyło Tucka ważnej lekcji; sposobem na uniknięcie anulowania było bycie zbyt dużym, by upaść . Podczas zeznań przed Kongresem w 1964 roku stwierdził: „Oparliśmy się pokusie budowania ogromnych maszyn lub zatrudniania dużych sztabów. Brzmi to bardzo cnotliwie, ale nie zdałem sobie sprawy, że było to samobójstwo”. Tuck, Richard Taschek i dyrektor Los Alamos Norris Bradbury byli przekonani, że laboratorium potrzebuje dużej maszyny.

W międzyczasie sukces Scylli I doprowadził do powstania wielu potencjalnych ścieżek rozwoju, które zaczęto badać we wczesnych latach sześćdziesiątych. W krótkim okresie zestaw drobnych ulepszeń doprowadził do powstania Scylli II, która była podobna do oryginału, ale później ulepszona z 35 kJ mocy kondensatora do 185. Została uruchomiona w 1959 roku, ale była używana tylko przez krótki czas, podczas gdy znacznie większa Scylla III była zbudowany i wszedł do eksploatacji pod koniec 1960 r. Wczesne operacje zakończyły się sukcesem i szybko doprowadziły do ​​jeszcze większej Scylli IV, która rozpoczęła pracę w styczniu 1963 r. Scylla IV dała doskonałe wyniki, osiągając 80 milionów kelwinów i 2 x 10 16 gęstości cząstek – dobrze w praktycznym obszarze reaktora – i generował miliardy reakcji na impuls. Niestety, system wykazał również bardzo krótkie czasy uwięzienia, rzędu 2 mikrosekund, o wiele za krótkie, aby można je było zastosować w praktycznym projekcie reaktora.

W latach sześćdziesiątych theta-pinch stał się jednym z wiodących programów w dziedzinie syntezy jądrowej. Nowe zespoły powstały w Aldermaston i niedawno otwartym Culham w Wielkiej Brytanii, Campus Garching i Forschungszentrum Jülich w Niemczech, Frascati National Laboratories we Włoszech oraz na Uniwersytecie Nagoya , Uniwersytecie w Osace i Uniwersytecie Nihon w Japonii. Eksperymenty te wykazały, że system podlegał nowej formie niestabilności, m.in =2 niestabilność, która powoduje, że plazma rozrzedza się z pierwotnego cylindra do kształtu przypominającego sztangę. Doprowadziło to do licznych eksperymentów z różnymi układami, aby zapobiec rotacji plazmy, która spowodowała tę niestabilność.

Mniej więcej w tym czasie General Electric wycofał się. Ponieważ wydawało się, że żaden przełom w wydajności nie jest możliwy w krótkim okresie, postęp w badaniach wymagałby większych maszyn, których nie chcieli zbudować wyłącznie przy użyciu wewnętrznych funduszy. Pod kierunkiem Leslie Cook opublikowano przegląd tej dziedziny, w którym stwierdzono: „Prawdopodobieństwo powstania w dającej się przewidzieć przyszłości elektrowni termojądrowej odnoszącej sukcesy ekonomiczne jest niewielkie”. Firma GE zwróciła się do AEC o fundusze, ale ta została odrzucona, ponieważ ich program wydawał się nie oferować nic nowego w porównaniu ze Scyllą IV. Następnie GE zakończyło swój program.

Toroidalne theta

Fred Ribe opisuje koncepcję Scyllaca. Oryginalne pole M&S znajduje się w prawym górnym rogu, wewnętrzna ścieżka jest dłuższa dzięki serii pofałdowań w polu. Potrzebne do tego magnesy znajdują się w prawym dolnym rogu.

Badacze byli przekonani, że krótkie czasy uwięzienia były spowodowane stratami cząstek z otwartych końców reaktora. W 1965 roku Fred Ribe, zastępując Tucka na stanowisku lidera zespołu Scylla, zaczął badać praktyczne reaktory oparte na układzie Scylli. Odkryli, że system można ulepszyć, używając koca hodowlanego jako rodzaju przewodnika magnetycznego, co pozwoliło na znacznie mniej intensywne dostarczanie prądu zewnętrznego, ponieważ byłby on powiększony podczas podróży przez metaliczny koc. Aby projekt działał z podanymi współczynnikami strat końcowych, musiałby być bardzo długi - obliczenia sugerowały, że musiałoby to wynosić 500 metrów (1600 stóp), aby osiągnąć wymagane 3 milisekundowe ograniczenie wymagane przez Kryterium Lawsona . To z kolei wymagałoby niewiarygodnie dużego źródła zasilania.

Problem z przepływem końcowym można najprościej rozwiązać, wyginając eksperymentalną rurkę, aby utworzyć kształt torusa (pączka lub pierścienia). W tym przypadku cząstki płynące wzdłuż długiej osi urządzenia już w nic nie uderzają i mogą krążyć w nieskończoność. Jednak od najwcześniejszych dni syntezy jądrowej wykazano, że ta konfiguracja nie jest stabilna: gdy do takiego pojemnika przyłoży się pole magnetyczne, ze względu na samą geometrię, pole po wewnętrznej stronie krzywej jest silniejsze niż na zewnątrz , co prowadzi do nierównych sił w plazmie, które powodują, że jony i elektrony oddalają się od centrum. Wprowadzono szereg rozwiązań tego problemu, w szczególności oryginalne maszyny do szczypania. W nich wewnętrzna siła prądu zaciskającego była znacznie silniejsza niż siła dryfu, więc nie stanowiło to problemu. Innym rozwiązaniem był stellarator, który wprawiał cząstki w obieg, więc spędzały czas wewnątrz i na zewnątrz rury, aby zrównoważyć dryf.

W 1958 roku Meyer i Schmidt z Garching zaproponowali inne rozwiązanie. Zauważyli, że kluczowym wymogiem stabilności toroidu było to, aby całkowita długość ścieżki po wewnętrznej i zewnętrznej stronie krzywej była taka sama. Stellarator zapewnił to poprzez cyrkulację cząstek, dodając transformację rotacyjną . Meyer i Schmidt zaproponowali zrobienie tego poprzez modyfikację magnesów w celu wytworzenia pola, które nie było już jednolite, gdy poruszało się po torusie; zamiast tego pole się zakrztusiło, a następnie rozszerzyło, tworząc pole przypominające pęk kiełbasek. Pole zostało wygięte bardziej do wewnątrz na krzywej wewnętrznej, co wydłużyło ją, a tym samym całkowita długość ścieżki po wewnętrznej i zewnętrznej stronie była taka sama.

Kiedy maszyny theta-pinch zaczęły wkraczać w region, w którym straty końcowe były teraz ograniczeniem dla dalszych badań, koncepcja wydawała się oferować sposób na przeniesienie theta-pinch do układu toroidalnego, który wciąż był wystarczająco różny od stellaratora, aby był interesujący . To rozwiązanie nie było rozważane zbyt głęboko, biorąc pod uwagę prostotę koncepcji stellaratora w porównaniu z bardziej złożonym układem magnesów wymaganym dla wersji falistej Meyera i Schmidta. Dalsze badania ujawniły dodatkowe niestabilności, ale przewidywane odchodzenie od nich było powolne i można było temu zaradzić, stosując stabilizację dynamiczną.

Ponieważ zespół z Los Alamos pragnął dużej maszyny, aby zapewnić dalsze finansowanie, zaproponowali duży toroidalny theta jako swoje następne urządzenie, nie tylko jako większy system eksperymentalny, ale jako potencjalną demonstrację systemu wytwarzania energii. W 1965 LANL proponował taką maszynę pod nazwą Scylla V.

Stellarator o wysokim poziomie beta

Amasa Stone Bishop niedawno przejął zarządzanie fuzją AEC od Arthura Ruarka i utworzył panel do przeglądu propozycji Scylla V, w tym członków zespołów NRL i GE theta. Doszli do wniosku, że nie ma przekonujących dowodów na to, że obserwowane straty energii były spowodowane stratami końcowymi, i wyrazili obawy co do skuteczności stabilizacji dynamicznej, a także możliwości, że zmieniające się pola, których wymagała, mogą po prostu wywołać nowe niestabilności. Panel zdecydowanie zasugerował zbudowanie jeszcze jednej maszyny liniowej o długości 15 metrów (49 stóp), aby przetestować wprowadzane koncepcje. Niemniej jednak, bez innych projektów, system został zatwierdzony, ale pod warunkiem, że będzie ukierunkowany na badania reżimu wysokiej beta, a nie jako prototypowy reaktor energetyczny. To zapoczątkowało przeniesienie zarządzania ogólnymi celami programu do Waszyngtonu.

Jeden z członków panelu, Harold Grad , był dobrze znany jako ekspert w dziedzinie fizyki plazmy i stabilności. Po powrocie do Nowego Jorku zaczął czytać wszystkie opublikowane materiały na temat koncepcji skurczu theta i doszedł do wniosku, że dynamiczny system stabilizacji prawdopodobnie nie zadziałałby i byłby niezwykle złożony, nawet gdyby działał. Zamiast tego zaproponował użycie magnesów spiralnych, takich jak te dodawane do ostatnich gwiezdnych gwiazd, ponieważ wydawały się one naturalnie stabilne. Odniósł się do powstałego systemu jako „gwiezdnego gwiezdnego o wysokim beta”, gdzie beta jest miarą siły magnetycznej w plazmie, która byłaby znacznie wyższa w urządzeniu szczypcowym.

Los Alamos okazał ogromne zainteresowanie pracami Grada i zaproponował, aby w pełni je rozwinął z myślą o zaprezentowaniu ich na następnym trzyletnim spotkaniu poświęconym badaniom nad syntezą jądrową, które miało się odbyć w sierpniu 1968 roku w Nowosybirsku . W miarę jak zespół kontynuował pracę, ujawniono kilka nowych i niepokojących niestabilności i stało się jasne, że spiralne magnesy ostatecznie nie były bardziej stabilne niż oryginalna koncepcja Meyera-Schmidta. Trzeba było dodać jeszcze jeden zestaw tłumienia dynamicznego, tym razem taki, który musiał zareagować w charakterystycznym czasie T .

Theta kontra tokamak

To właśnie na spotkaniu w Nowosybirsku delegacja radziecka opublikowała nowe wyniki dotyczące swoich tokamaków , które wykazały znaczną poprawę w stosunku do wszystkich poprzednich urządzeń. Początkowo wyniki zostały odrzucone jako brak odpowiedniego oprzyrządowania i wybuchła wściekła debata na temat tego, czy wyniki są wiarygodne.

Sowieci wymyślili przekonujące rozwiązanie, aby zademonstrować, czy ich projekt zadziałał. W latach sześćdziesiątych Wielka Brytania opracowała technikę bezpośredniego pomiaru temperatury cząstek w plazmie za pomocą laserowego . Lev Artsimovich zaprosił zespół do przyniesienia swojego urządzenia do Instytutu Kurczatowa i samodzielnego zmierzenia wydajności. System wymagał miesięcy konfiguracji i kalibracji, ale wczesnym latem 1969 roku stało się jasne, że tokamak naprawdę działa zgodnie z opisem.

To postawiło Stany Zjednoczone w niewygodnej sytuacji bycia w tyle w wyścigu syntezy jądrowej. Początkowo laboratoria odmówiły rozważenia budowy tokamaków, przedstawiając listę powodów, dla których były gorsze. W maju 1969 roku dyrektor działu syntezy jądrowej AEC, Taschek, napisał do Bishopa, wyrażając jego przekonanie, że Stany Zjednoczone powinny odpowiedzieć własnymi urządzeniami, które mają największe szanse na wykazanie rozsądnej wydajności, i że „nieuniknione jest, że są to Scyllac i 2X! Są lepsze niż cokolwiek, co mamy w USA”. Wciąż zaniepokojony, że program Scyllac próbuje rozwiązać zbyt wiele problemów naraz, AEC powtórzył swoją sugestię, aby najpierw zbudować urządzenie liniowe.

Pod koniec października 1969 r., kiedy wyniki tokamaka miały zostać upublicznione w następnym miesiącu, Stany Zjednoczone rozpoczęły własny program tokamaków. To postawiło Scyllac w sytuacji, w której musiał nie tylko zademonstrować swoje cele w zakresie stabilności, ale także konkurować z tymi maszynami, które już wykazały doskonałe osiągi. Stwarzało to możliwość, że wersja liniowa może szybko zwrócić wyniki o wartościach konkurujących z tokamakiem. Jak ujął to Taschek w połowie 1970 r., „zauważenie, że liniowe uszczypnięcie theta… może wnieść istotny wkład w nτ, może mieć pewne zalety taktyczne i uderzeniowe” . derby, które nie wydaje się powstać w krótkim czasie.”

sylak

Pełnokołowy reaktor termojądrowy Scyllac w trakcie budowy.

Pomimo tego, co wydawało się być zgodne co do tego, że warto najpierw zbudować 15-metrową wersję liniową, Ribe zdecydował, że lepiej będzie zamiast tego zbudować Syllac tak szybko, jak to możliwe. Aby to zrobić, w lutym 1969 roku nakreślił plan, w którym krótsze 10-metrowe urządzenie liniowe zostanie zbudowane w tym samym czasie, co 120-stopniowy sektor Scyllaca, który zostanie wykorzystany do nauki budowy maszyny jako cały. Do 1970 roku jeszcze bardziej zmodyfikował te plany, aby zredukować urządzenie liniowe do zaledwie 5 metrów (16 stóp) z 2-metrowymi (6 stóp 7 cali) lustrami na obu końcach, aby skrócić czas uwięzienia.

W 1972 roku Robert L. Hirsch przejął program syntezy jądrowej AEC od Bishopa. Biorąc pod uwagę ostatnie postępy w osiągach tokamaka wskazujące na możliwość projektowania produkcji, Hirsch zaczął ponownie oceniać program na podstawie zarówno wydajności, jak i ekonomii. Podczas gdy tokamak miał doskonałe osiągi, lustra opracowywane w Lawrence Livermore byłyby znacznie tańsze w budowie i obsłudze, a te dwa urządzenia stały się przedmiotem jego planów. Aby utrzymać swój projekt w ruchu, Los Alamos zdecydowało się szybko przejść do przodu z sekcją toroidalną, aby udowodnić, że ich podejście było również warte rozważenia.

Eksperymenty na pierwszym sektorze rozpoczęły się w kwietniu 1971 roku i wykazały, że była tam duża stabilność, co wywołało wielkie świętowanie w laboratorium. Kolejnym krokiem było dodanie systemu stabilizacji sprzężenia zwrotnego. Do tego czasu Ken Thomassen z MIT wykonał dodatkowe obliczenia, które wykazały, że sprzężenie zwrotne nie będzie działać w promieniu obecnego projektu. Pod koniec 1972 roku Ribe zdecydował się rozwiązać ten problem, zwiększając Scyllac z 4,8 metra (16 stóp) średnicy do 8 metrów (26 stóp), zmniejszając krzywiznę, a tym samym wymagany poziom sprzężenia zwrotnego. Zmniejszyło to krytyczny parametr T do 0,9 mikrosekundy – wszystko poniżej 1 zadziałałoby.

Mniej więcej w tym czasie Robin Gribble, który był przede wszystkim odpowiedzialny za program informacji zwrotnych, został przydzielony do innego projektu w Los Alamos. W miarę rozwoju programu dwie zmiany w układzie spowodowały wzrost parametru T. Z braku kogoś, kto byłby bezpośrednio odpowiedzialny za stronę zwrotną programu, przeszło to niezauważone. Eksperymenty na Scylli IV i oryginalnym segmencie zakończyły się, gdy cały zespół skupił się na nowym, powiększonym projekcie, więc nie wykryto dodatkowych problemów.

Syllac został poświęcony w kwietniu 1974 roku. W październiku stało się jasne, że system sprzężenia zwrotnego nie działa. W tym momencie ponownie obliczyli wartość T i stwierdzili, że wynosi ona 1,5. Co gorsza, dalsze prace nad podstawową teorią sugerowały, że wartość 1 nie była wystarczająco dobra i wymagane były wartości bliższe 0,5. Ostatecznym ciosem było to, że ogólna stabilność obserwowana w oryginalnym segmencie w 1971 roku okazała się iluzoryczna; w większej maszynie plazma powoli dryfowała. System stabilności ledwo był w stanie to zatrzymać, nie mówiąc już o korygowaniu szybszych niestabilności.

Przystanki liniowe

Awaria Scyllaca pozostawiła Stany Zjednoczone z własnym programem tokamaka skupionym w Princeton i programem lustrzanym w Livermore. Los Alamos spróbował jeszcze jednego rozwiązania, aby uratować system, ponownie uruchamiając Scyllę IV z fizycznymi zatyczkami na końcach przy użyciu metali lekkich. Ta Scylla IV-P poprawiła czas uwięzienia z 9 do 29 mikrosekund, co stanowi trzykrotną poprawę. Ale to nie było wystarczająco blisko, aby uzyskać zakres milisekund wymagany dla reaktora produkcyjnego. Po dwóch dekadach wysiłków najlepsze wyniki programu theta były tylko marginalną poprawą w stosunku do wyników oryginalnej serii Scylla.

FRC

Główny artykuł: konfiguracja odwróconego pola

W latach sześćdziesiątych kilka zespołów zauważyło, że ich eksperymenty theta czasami wykazywały lepsze czasy uwięzienia. Nastąpiło to, gdy pole magnetyczne rekonfigurowało się, gdy impuls zewnętrzny wracał do zera. W tamtym czasie takie zachowanie było ogólnie uważane za niepożądane, chociaż miało tę zaletę, że powodowało wzrost temperatury jonów w miarę składania pól i to właśnie to działanie podniosło temperaturę do punktu, w którym miała miejsce fuzja.

W 1972 roku John Bryan Taylor opublikował serię artykułów na temat zachowania pola magnetycznego i odwrócenia strumienia, które zaobserwowano na ZETA, ale nie doceniono w tamtym czasie. Doprowadziło to do koncepcji odwróconego szczypania pola , która rozwijała się w latach 70. i 80. XX wieku. Ten sam podstawowy mechanizm powodował odwrócenie pola obserwowane w urządzeniach theta, ale ostatecznym rezultatem był inny układ.

We wczesnych latach siedemdziesiątych Instytut Kurczatowa wykazał stabilne uwięzienie przez długi czas, zmniejszając siłę zaciskania i dodając dodatkowe magnesy na końcu rurki liniowej, aby wspomóc odwrócenie pola. Publikacja ich prac nad tymi o odwróconej konfiguracji pola (FRC) doprowadziła do znacznego zainteresowania tematem, z nowymi wysiłkami w USA i Japonii. Chociaż technicznie są to skurcze theta ze względu na ich rozmieszczenie, koncepcja ta jest uważana za odrębne i odrębne podejście do energii termojądrowej.

Notatki

Cytaty

Bibliografia

Dalsza lektura

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Theta_pinch&oldid=1140425403 ”