ZETA (reaktor termojądrowy) - ZETA (fusion reactor)

Urządzenie ZETA w Harwell, Wielka Brytania. Toroidalna rura ograniczająca jest z grubsza wyśrodkowana. Większe urządzenie po prawej stronie otaczające rurkę to magnes używany do indukowania prądu zaciskowego.

ZETA , skrót od „Zero Energy Thermonuclear Assembly”, był głównym eksperymentem we wczesnej historii badań nad energią termojądrową . Oparta na technice utrzymywania plazmy zaciskowej i zbudowana w ośrodku badań nad energią atomową w Wielkiej Brytanii, ZETA była większa i potężniejsza niż jakakolwiek maszyna termojądrowa na świecie w tamtym czasie. Jego celem było wytworzenie dużej liczby reakcji syntezy jądrowej, chociaż nie było wystarczająco duże, aby wytworzyć energię netto.

ZETA zaczęła działać w sierpniu 1957 roku i pod koniec miesiąca emitowała około miliona neutronów na impuls. Pomiary sugerowały, że paliwo osiągało od 1 do 5 milionów kelwinów , temperaturę, która wywołałaby reakcje syntezy jądrowej , wyjaśniając ilość obserwowanych neutronów. Wczesne wyniki wyciekły do ​​prasy we wrześniu 1957 roku, a w styczniu następnego roku opublikowano obszerny przegląd. Artykuły na pierwszych stronach gazet na całym świecie ogłosiły, że jest to przełom w kierunku nieograniczonej energii, naukowy postęp dla Wielkiej Brytanii, większy niż niedawno wprowadzony Sputnik dla Związku Radzieckiego .

Eksperymenty amerykańskie i sowieckie również emitowały podobne wybuchy neutronów w temperaturach niewystarczająco wysokich do fuzji. To skłoniło Lymana Spitzera do wyrażenia swojego sceptycyzmu wobec wyników, ale jego komentarze zostały odrzucone przez brytyjskich obserwatorów jako szowinistyczne . Dalsze eksperymenty na ZETA wykazały, że oryginalne pomiary temperatury były mylące; temperatura w masie była zbyt niska, aby reakcje syntezy pozwoliły na wytworzenie liczby obserwowanych neutronów. Twierdzenie, że ZETA wyprodukowało syntezę jądrową, musiało zostać publicznie wycofane, co było wstydliwym wydarzeniem, które rzuciło chłód na cały zakład syntezy jądrowej. Neutrony zostały później wyjaśnione jako produkt niestabilności paliwa. Te niestabilności wydawały się nieodłącznie związane z każdym podobnym projektem, a prace nad podstawową koncepcją zaciskania jako drogi do energii termojądrowej zakończyły się w 1961 roku.

Pomimo niepowodzenia ZETA w uzyskaniu fuzji, urządzenie przetrwało długi okres eksperymentalny i przyniosło wiele ważnych postępów w tej dziedzinie. W jednej linii rozwoju, użycie laserów do dokładniejszego pomiaru temperatury było testowane na ZETA, a później zostało użyte do potwierdzenia wyników podejścia radzieckiego tokamaka . W innym, podczas badania przebiegów testowych ZETA zauważono, że plazma ustabilizowała się po wyłączeniu zasilania. Doprowadziło to do powstania nowoczesnej koncepcji odwróconego ściskania pola . Bardziej ogólnie, badania niestabilności w ZETA doprowadziły do ​​kilku ważnych postępów teoretycznych, które stanowią podstawę współczesnej teorii plazmy.

Rozwój koncepcyjny

Podstawowe rozumienie syntezy jądrowej zostało opracowane w latach dwudziestych XX wieku, kiedy fizycy badali nową naukę mechaniki kwantowej . Badanie tunelowania kwantowego przeprowadzone przez George Gamowa w 1928 roku wykazało, że reakcje jądrowe mogą zachodzić przy niższych energiach niż przewidywała teoria klasyczna. Korzystając z tej teorii, w 1929 r. Fritz Houtermans i Robert Atkinson wykazali, że oczekiwane szybkości reakcji w jądrze Słońca potwierdzają sugestię Arthura Eddingtona z 1920 r., że słońce jest zasilane przez syntezę jądrową .

W 1934 roku Mark Oliphant , Paul Harteck i Ernest Rutherford jako pierwsi osiągnęli fuzję na Ziemi, używając akceleratora cząstek do wstrzeliwania jąder deuteru w metalową folię zawierającą deuter, lit lub inne pierwiastki. To pozwoliło im zmierzyć przekrój jądrowy różnych reakcji syntezy jądrowej i ustalić, że reakcja deuter-deuter zachodziła przy niższej energii niż inne reakcje, osiągając wartość szczytową około 100 000  elektronowoltów (100 keV).

Ta energia odpowiada średniej energii cząstek w gazie podgrzanym do tysięcy milionów kelwinów. Materiały rozgrzane powyżej kilkudziesięciu tysięcy kelwinów dysocjują na swoje elektrony i jądra , wytwarzając 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 wyższą energię niż masa.

Prowadzi to do interesującej możliwości; nawet w temperaturach znacznie poniżej 100 000 eV niektóre cząstki będą miały losowo wystarczającą energię, aby przejść fuzję. Reakcje te uwalniają ogromne ilości energii. Jeśli ta energia może zostać przechwycona z powrotem do plazmy, może ona również podgrzać inne cząstki do tej energii, dzięki czemu reakcja będzie samowystarczalna. W 1944 roku Enrico Fermi obliczył, że nastąpi to przy około 50 000 000 K.

Uwięzienie

Nowoczesna lampa indukcyjna to niskotemperaturowa wersja toroidalnej lampy plazmowej. W tych temperaturach plazma może bez szkody uderzyć w ściany rurki; dalsze odosobnienie nie jest potrzebne.

Wykorzystanie tej możliwości wymaga, aby plazma paliwowa była utrzymywana razem wystarczająco długo, aby te losowe reakcje miały czas na zajście. Jak każdy gorący gaz, plazma ma ciśnienie wewnętrzne i dlatego ma tendencję do rozszerzania się zgodnie z prawem gazu doskonałego . W przypadku reaktora termojądrowego problem polega na utrzymywaniu plazmy w osłonie przeciw temu ciśnieniu; każdy znany fizyczny pojemnik stopiłby się w tych temperaturach.

Plazma przewodzi elektryczność i podlega działaniu pól elektrycznych i magnetycznych. W polu magnetycznym elektrony i jądra krążą po liniach pola magnetycznego. Prosty system ograniczający to wypełniona plazmą rura umieszczona wewnątrz otwartego rdzenia elektromagnesu . Plazma w naturalny sposób chce rozszerzać się na zewnątrz do ścianek tuby, a także przemieszczać się wzdłuż niej w kierunku końców. Solenoid wytwarza pole magnetyczne biegnące przez środek tuby, po którym cząsteczki będą krążyć, zapobiegając ich ruchowi na boki. Niestety, ten układ nie ogranicza plazmy na całej długości rury i plazma może swobodnie wypływać z końców.

Oczywistym rozwiązaniem tego problemu jest wygięcie rurki w torus (kształt pierścienia lub pączka). Ruch w kierunku boków pozostaje ograniczony jak poprzednio i chociaż cząstki mogą swobodnie poruszać się wzdłuż linii, w tym przypadku będą po prostu krążyć wokół długiej osi rury. Ale, jak zauważył Fermi, gdy elektrozawór jest wygięty w pierścień, uzwojenia elektryczne będą bliżej siebie od wewnątrz niż na zewnątrz. Doprowadziłoby to do powstania nierównego pola w całej rurze, a paliwo powoli wypłynie ze środka. Pewna dodatkowa siła musi przeciwdziałać temu dryfowi, zapewniając długoterminowe zamknięcie.

Koncepcja szczypta

Ten piorunochron został zmiażdżony, gdy przepływał przez niego duży prąd. Badanie tego zjawiska doprowadziło do odkrycia efektu uszczypnięcia .

Potencjalne rozwiązanie problemu zamknięcia zostało szczegółowo opisane w 1934 roku przez Willarda Harrisona Bennetta . Każdy prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne , a ze względu na siłę Lorentza , powoduje to siłę skierowaną do wewnątrz. Po raz pierwszy zauważono to w piorunochronach . Bennett wykazał, że ten sam efekt spowodowałby, że prąd skupiłby plazmę na cienkiej kolumnie. Drugi artykuł Lewiego Tonksa z 1937 r. ponownie rozważył tę kwestię, wprowadzając nazwę „ efekt uszczypnięcia ”. Po nim pojawił się artykuł Tonks i Williama Allisa .

Przyłożenie prądu zaciskowego do plazmy może być wykorzystane do przeciwdziałania rozszerzaniu i ograniczania plazmy. Prostym sposobem na to jest umieszczenie plazmy w rurze liniowej i przepuszczenie przez nią prądu za pomocą elektrod na obu końcach, takich jak lampa fluorescencyjna . Taki układ nadal nie powoduje ograniczenia długości rury, więc plazma spływa na elektrody, szybko je erodując. Nie stanowi to problemu dla czysto eksperymentalnej maszyny i istnieją sposoby na zmniejszenie szybkości. Innym rozwiązaniem jest umieszczenie magnesu obok tuby; gdy zmienia się pole magnetyczne, fluktuacje powodują indukowanie prądu elektrycznego w plazmie. Główną zaletą tego układu jest to, że w rurze nie ma żadnych fizycznych obiektów, dzięki czemu można ją uformować w torus i umożliwić swobodny przepływ plazmy.

Koncepcja ściskania toroidalnego jako drogi do fuzji była badana w Wielkiej Brytanii w połowie lat 40., zwłaszcza przez George'a Pageta Thomsona z Imperial College London . Wraz z utworzeniem Atomic Energy Research Establishment (AERE) w Harwell w hrabstwie Oxfordshire w 1945 roku Thomson wielokrotnie zwracał się do dyrektora Johna Cockcrofta o fundusze na opracowanie eksperymentalnej maszyny. Te prośby zostały odrzucone. W tamtym czasie nie było oczywistego zastosowania militarnego, więc koncepcja pozostała niesklasyfikowana . To pozwoliło Thomsonowi i Mosesowi Blackmanowi złożyć patent na ten pomysł w 1946 roku, opisując urządzenie wykorzystujące wystarczającą ilość prądu zaciskowego do jonizacji i krótkotrwałego ograniczenia plazmy podczas ogrzewania przez źródło mikrofalowe , które również stale napędzałoby prąd.

Jako praktyczne urządzenie istnieje dodatkowy wymóg, aby warunki reakcji trwały wystarczająco długo, aby spalić rozsądną ilość paliwa. W pierwotnym projekcie Thomsona i Blackmana zadaniem wtrysku mikrofalowego było napędzanie elektronów w celu utrzymania prądu i wytworzenia skurczów trwających około jednej minuty, dzięki czemu plazma osiągnęła 500 milionów K. Prąd w plazmie również go podgrzał; jeśli prąd był również używany jako źródło ciepła, jedynym ograniczeniem ogrzewania była moc impulsu. Doprowadziło to do opracowania nowego projektu reaktora, w którym system działał w krótkich, ale bardzo silnych impulsach. Taka maszyna wymagałaby bardzo dużego zasilania.

Pierwsze maszyny

W 1947 Cockcroft zorganizował spotkanie kilku fizyków z Harwell, aby przestudiować najnowsze koncepcje Thomsona, w tym dyrektora fizyki teoretycznej w Harwell, Klausa Fuchsa . Koncepcje Thomsona zostały słabo przyjęte, zwłaszcza przez Fuchsa. Kiedy ta prezentacja również nie uzyskała finansowania, Thomson przekazał swoje koncepcje dwóm studentom z Imperial, Stanowi Cousinsowi i Alanowi Ware. Dodał też raport na temat rodzaju toroidalnego akceleratora cząstek znanego jako „Wirbelrohr” („rura wirowa”), zaprojektowanego w Niemczech przez Maxa Steenbecka . Wirbelrohr składał się z transformatora z rurą próżniową w kształcie torusa jako cewką wtórną, podobną w koncepcji do toroidalnych urządzeń zaciskowych.

Później w tym samym roku Ware zbudował małą maszynę ze starego sprzętu radarowego i był w stanie indukować potężne prądy. Kiedy to zrobili, plazma emitowała błyski światła, ale nie mógł wymyślić sposobu na zmierzenie temperatury plazmy. Thomson nadal naciskał na rząd, aby pozwolił mu zbudować urządzenie na pełną skalę, wykorzystując swoją znaczną polityczną walutę do argumentowania za stworzeniem dedykowanej stacji eksperymentalnej w laboratorium Associated Electrical Industries (AEI), które niedawno zbudowano w Aldermaston .

Ware omówił eksperymenty z każdym zainteresowanym, w tym z Jimem Tuckiem z Clarendon Laboratory na Uniwersytecie Oksfordzkim . Pracując w Los Alamos podczas wojny, Tuck i Stanisław Ulam zbudowali nieudany system syntezy jądrowej przy użyciu ładunków kumulacyjnych, ale to nie zadziałało. Do Tucka dołączył Australijczyk Peter Thonemann , który pracował nad teorią syntezy jądrowej, i obaj zorganizowali finansowanie za pośrednictwem Clarendona, aby zbudować małe urządzenie, takie jak to w Imperial. Ale zanim ta praca się zaczęła, Tuckowi zaproponowano pracę w USA, by ostatecznie wrócić do Los Alamos.

Thonemann kontynuował prace nad tym pomysłem i rozpoczął rygorystyczny program badania podstaw fizyki plazmy w polu magnetycznym. Zaczynając od liniowych rurek i gazu rtęciowego , odkrył, że prąd ma tendencję do rozszerzania się na zewnątrz przez plazmę, aż dotknął ścian pojemnika (patrz efekt naskórkowości ). Sprzeciwił się temu dodając małe elektromagnesy na zewnątrz tuby, które odpychały prąd i utrzymywały go na środku. W 1949 przeszedł od szklanych rurek do większego miedzianego torusa, w którym był w stanie zademonstrować stabilną ściśniętą plazmę. Frederick Lindemann i Cockcroft odwiedzili i byli pod wrażeniem.

Cockcroft poprosił Herberta Skinnera o zrewidowanie koncepcji, co zrobił w kwietniu 1948 roku. Był sceptycznie nastawiony do pomysłów Thomsona dotyczących wytworzenia prądu w plazmie i uważał, że pomysły Thonemanna wydają się bardziej prawdopodobne. Wskazał również, że zachowanie plazmy w polu magnetycznym nie zostało dobrze poznane i że „nie ma sensu dalsze planowanie, zanim ta wątpliwość zostanie rozwiązana”.

Tymczasem w Los Alamos Tuck zapoznał amerykańskich badaczy z wysiłkami Wielkiej Brytanii. Na początku 1951 r. Lyman Spitzer przedstawił swoją koncepcję stellaratora i szukał funduszy w środowisku nuklearnym. Tuck był sceptycznie nastawiony do entuzjazmu Spitzera i uważał, że jego program rozwoju jest „niesamowicie ambitny”. Zaproponował znacznie mniej agresywny program oparty na uszczypnięciu. Obaj mężczyźni przedstawili swoje pomysły w Waszyngtonie w maju 1951 roku, w wyniku czego Komisja Energii Atomowej przekazała Spitzerowi 50 000 USD. Tuck przekonał Norrisa Bradbury'ego , dyrektora Los Alamos, by dał mu 50 000 dolarów z budżetu uznaniowego, wykorzystując go do budowy Maybeatron .

Wczesne wyniki

Zdjęcie niestabilności skrętu we wczesnym eksperymencie w Aldermaston. Ciemny prostokąt po prawej to magnes indukcyjny.

W 1950 roku Fuchs przyznał się do przekazania ZSRR tajemnic atomowych Wielkiej Brytanii i USA. Ponieważ urządzenia termojądrowe generowały neutrony o wysokiej energii, które można wykorzystać do wzbogacania paliwa jądrowego do bomb, Wielka Brytania natychmiast sklasyfikowała wszystkie prowadzone przez nich badania nad syntezą jądrową. Oznaczało to, że zespoły nie mogły już pracować w otwartym środowisku uczelni. Imperialny zespół Ware'a przeniósł się do laboratoriów AEI w Aldermaston, a zespół Oxford pod kierownictwem Thonemanna przeniósł się do Harwell.

Na początku 1952 r. działało wiele urządzeń zaciskających; Cousins ​​and Ware zbudowali kilka kolejnych maszyn pod nazwą Sceptre, a zespół Harwell zbudował serię coraz większych maszyn znanych od Mark I do Mark IV. W Stanach Zjednoczonych Tuck zbudował swój Maybeatron w styczniu 1952 roku. Później okazało się, że Fuchs przekazał brytyjską pracę Sowietom i że oni również rozpoczęli program syntezy jądrowej.

Dla wszystkich tych grup było jasne, że coś jest nie tak z maszynami do zaciskania. Po przyłożeniu prądu kolumna plazmowa wewnątrz rury próżniowej stałaby się niestabilna i rozpadłaby się, rujnując kompresję. Dalsze prace pozwoliły zidentyfikować dwa rodzaje niestabilności, nazywane „zagięciem” i „kiełbasą”. W załamaniu normalnie toroidalna plazma wyginałaby się na boki, ostatecznie dotykając krawędzi naczynia. W kiełbasie plazma zwężałaby się w miejscach wzdłuż kolumny plazmowej, tworząc wzór podobny do połączenia kiełbasek.

Badania wykazały, że oba te czynniki były spowodowane tym samym mechanizmem. Po przyłożeniu prądu zaciskowego każdy obszar gazu o nieco większej gęstości wytworzy nieco silniejsze pole magnetyczne i zapadnie się szybciej niż otaczający go gaz. To spowodowało, że zlokalizowany obszar miał większą gęstość, co spowodowało jeszcze silniejsze uszczypnięcie i nastąpiła ucieczka. Szybkie zawalenie się w jednym obszarze spowodowałoby rozpad całej kolumny.

Ustabilizowana szczypta

Aby przetestować podstawową koncepcję stabilizowanego zacisku, do wcześniejszego Mark 2 Torus dodano dodatkowe magnesy, widoczne tutaj jako druty owinięte wokół komory próżniowej.

Wczesne badania tego zjawiska sugerowały, że jednym z rozwiązań problemu jest zwiększenie stopnia kompresji. W tym podejściu kompresja byłaby rozpoczynana i zatrzymywana tak szybko, że większość plazmy nie miałaby czasu na ruch; zamiast tego fala uderzeniowa wytworzona przez tę szybką kompresję byłaby odpowiedzialna za kompresję większości plazmy. To podejście stało się znane jako szybkie szczypanie . Zespół Los Alamos pracujący nad maszyną liniową Columbus zaprojektował zaktualizowaną wersję, aby przetestować tę teorię.

Inni zaczęli szukać sposobów na stabilizację plazmy podczas kompresji, a do 1953 roku na pierwszy plan wysunęły się dwie koncepcje. Jednym z rozwiązań było owinięcie rury próżniowej arkuszem cienkiego, ale wysoce przewodzącego metalu. Gdyby kolumna plazmy zaczęła się poruszać, prąd w plazmie indukowałby w arkuszu pole magnetyczne, które zgodnie z prawem Lenza odpychałoby plazmę. Było to najbardziej skuteczne przeciwko dużym, powolnym ruchom, takim jak cały torus plazmowy dryfujący w komorze.

Drugie rozwiązanie wykorzystywało dodatkowe elektromagnesy owinięte wokół rury próżniowej. Pola magnetyczne z tych magnesów mieszają się z polem ściskającym wytwarzanym przez prąd w plazmie. W rezultacie ścieżki cząstek w rurze plazmowej nie były już czysto okrągłe wokół torusa, ale skręcone jak paski na drążku fryzjerskim . W Stanach Zjednoczonych koncepcja ta była znana jako nadanie plazmie „kręgosłupa”, tłumienia lokalnych niestabilności na małą skalę. Obliczenia wykazały, że to ustabilizowane uszczypnięcie radykalnie poprawiłoby czas odosobnienia, a starsze koncepcje „nagle wydały się przestarzałe”.

Marshall Rosenbluth , który niedawno przybył do Los Alamos, rozpoczął szczegółowe teoretyczne studia nad koncepcją szczypty. Wraz ze swoją żoną Arianną i Richardem Garwinem opracował „teorię silnika” lub „teorię M”, opublikowaną w 1954 roku. Teoria ta przewidywała, że ​​efekt cieplny prądu elektrycznego znacznie wzrasta wraz z mocą pola elektrycznego. Sugerowało to, że koncepcja szybkiego zaciskania miałaby większe szanse powodzenia, ponieważ łatwiej było wytwarzać większe prądy w tych urządzeniach. Kiedy włączył do teorii ideę stabilizowania magnesów, pojawiło się drugie zjawisko; dla szczególnego i wąskiego zestawu warunków opartych na fizycznym rozmiarze reaktora moc magnesów stabilizujących i ilość ściskających maszyn toroidalnych wydawała się naturalnie stabilna.

ZETA rozpoczyna budowę

Elżbieta II , kierowana przez dyrektora badawczego UKAEA Johna Cockcrofta , odwiedza reaktor termojądrowy ZETA podczas jego budowy. Główny magnes indukcyjny dominuje po lewej stronie obrazu, toroidalna komora próżniowa nie została jeszcze zainstalowana.

Amerykańscy naukowcy planowali przetestować zarówno szybkie zaciskanie, jak i ustabilizowane zaciskanie poprzez modyfikację istniejących maszyn na małą skalę. W Wielkiej Brytanii Thomson po raz kolejny naciskał na finansowanie większej maszyny. Tym razem został znacznie cieplej przyjęty, a początkowe fundusze w wysokości 200 000 funtów zapewniono pod koniec 1954 r. Prace projektowe kontynuowano w 1955 r., a w lipcu projekt otrzymał nazwę ZETA. Termin „energia zerowa” był już powszechnie używany w przemyśle w odniesieniu do małych reaktorów badawczych , takich jak ZEEP , które pełniły rolę podobną do celu ZETA polegającego na wytwarzaniu reakcji bez uwalniania energii netto.

Projekt ZETA został sfinalizowany na początku 1956 roku. Metropolitan-Vickers został zatrudniony do zbudowania maszyny, która obejmowała 150-tonowy transformator impulsowy , największy do tej pory zbudowany w Wielkiej Brytanii. Poważny problem pojawił się, gdy brakowało wymaganych stali o wysokiej wytrzymałości potrzebnej do komponentów elektrycznych, ale strajk w amerykańskim przemyśle elektrycznym spowodował nagły nadmiar materiału, rozwiązując problem.

W momencie budowy ZETA była największym i najpotężniejszym urządzeniem termojądrowym na świecie. Jego aluminiowy torus miał otwór wewnętrzny o średnicy 1 metra (3 stopy 3 cale) i promień główny 1,6 metra (5 stóp 3 cale), ponad trzykrotnie większy od wszystkich dotychczas zbudowanych maszyn. Był to również najpotężniejszy projekt, zawierający magnes indukcyjny, który został zaprojektowany do indukowania w plazmie prądów o natężeniu do 100 000 amperów (amperów). Późniejsze poprawki w projekcie zwiększyły to do 200 000 amperów. Obejmował oba rodzaje stabilizacji; jego aluminiowe ścianki działały jak metalowa osłona, a wokół torusa otaczała seria wtórnych magnesów. Okna umieszczone w szczelinach pomiędzy magnesami toroidalnymi umożliwiły bezpośrednią inspekcję plazmy.

W lipcu 1954 r. AERE została zreorganizowana w Brytyjski Urząd Energii Atomowej (UKAEA). W tym samym roku rozpoczęły się modyfikacje hangaru Harwell's 7 w celu umieszczenia maszyny. Pomimo zaawansowanej konstrukcji cena była skromna: około 1 miliona dolarów. Pod koniec 1956 było jasne, że ZETA pojawi się online w połowie 1957, pokonując stellarator Model C i najnowsze wersje Maybeatron i Columbus. Ponieważ projekty te były tajne, na podstawie niewielkiej ilości dostępnych informacji prasa doszła do wniosku, że są to wersje tego samego urządzenia koncepcyjnego i że Brytyjczycy byli daleko w wyścigu o wyprodukowanie działającej maszyny.

Sowiecka wizyta i dążenie do odtajnienia

Chruszczow (z grubsza wyśrodkowany, łysy), Kurczatow (po prawej, brodaty) i Bułganin (po prawej, siwowłosy) odwiedzili Harwell 26 kwietnia 1956 roku. Naprzeciw nich stoi Cockcroft (w okularach), podczas gdy prezenter wskazuje na makiety różnych materiałów testowane w nowo otwartym reaktorze DIDO .

Od 1953 roku Stany Zjednoczone coraz bardziej koncentrowały się na koncepcji szybkiego uszczypnięcia. Niektóre z tych maszyn wytwarzały neutrony, które początkowo były związane z fuzją. Było tak dużo podekscytowania, że ​​kilku innych badaczy również szybko wkroczyło na pole. Wśród nich był Stirling Colgate , ale jego eksperymenty szybko doprowadziły go do wniosku, że fuzja nie zachodzi. Według rezystywności Spitzera temperaturę plazmy można było określić na podstawie przepływającego przez nią prądu. Kiedy Colgate przeprowadzał obliczenia, temperatury w plazmie były znacznie niższe od wymaganych dla fuzji.

W związku z tym innym efektem musiało być tworzenie neutronów. Dalsze prace wykazały, że były to skutki niestabilności paliwa. Zlokalizowane obszary silnego pola magnetycznego działały jak małe akceleratory cząstek, wywołując reakcje wyrzucające neutrony. Modyfikacje mające na celu zmniejszenie tych niestabilności nie poprawiły sytuacji i do 1956 r. koncepcja szybkiego zaciskania została w dużej mierze porzucona. Amerykańskie laboratoria zaczęły zwracać uwagę na koncepcję ustabilizowanego ucisku, ale do tego czasu ZETA była prawie ukończona, a Stany Zjednoczone były daleko w tyle.

W 1956 roku, podczas planowania dobrze nagłośnione wizytę przez Nikitę Chruszczowa i Nikołaj Bułganin do Wielkiej Brytanii, naukowcy Harwell otrzymał ofertę od radziecki naukowiec Igor Kurczatow dać wykład. Byli zaskoczeni, kiedy zaczął mówić o „możliwości wywoływania reakcji termojądrowych w wyładowaniu gazowym”. Przemówienie Kurczatowa ujawniło sowieckie wysiłki zmierzające do wyprodukowania szybkich urządzeń dociskowych podobnych do konstrukcji amerykańskich oraz ich problemy z niestabilnością plazmy. Kurczatow zauważył, że widzieli również uwalniane neutrony i początkowo sądzili, że pochodzą one z syntezy jądrowej. Ale kiedy zbadali liczby, stało się jasne, że plazma nie jest wystarczająco gorąca i doszli do wniosku, że neutrony pochodzą z innych interakcji.

Przemówienie Kurchatowa pokazało, że wszystkie trzy kraje pracują nad tymi samymi podstawowymi koncepcjami i wszystkie napotkały ten sam rodzaj problemów. Cockcroft przegapił wizytę Kurchatova, ponieważ wyjechał do Stanów Zjednoczonych, aby nalegać na odtajnienie prac nad fuzją, aby uniknąć powielania wysiłków. Po obu stronach Atlantyku panowało powszechne przekonanie, że dzielenie się swoimi odkryciami znacznie poprawi postęp. Teraz, gdy było wiadomo, że Sowieci są na tym samym podstawowym poziomie rozwoju i że są zainteresowani rozmawianiem o tym publicznie, USA i Wielka Brytania również zaczęły rozważać ujawnienie wielu swoich informacji. Przekształciło się to w szerszy wysiłek, aby opublikować wszystkie badania nad syntezą jądrową na drugiej konferencji Atoms for Peace w Genewie we wrześniu 1958 roku.

W czerwcu 1957 r. Wielka Brytania i Stany Zjednoczone sfinalizowały umowę o udostępnianiu sobie nawzajem danych na jakiś czas przed konferencją, w której „obowiązuje” zarówno Wielka Brytania, jak i Stany Zjednoczone. Ostateczne warunki osiągnięto 27 listopada 1957 r., otwierając projekty do wzajemnego wglądu i wzywając do szerokiego publicznego udostępnienia wszystkich danych w styczniu 1958 r.

Obiecujące wyniki

Na stanowisku operatora przygotowywany jest „strzał” z użyciem deuteru. Na pierwszym planie jest Peter Thonemann. Reaktor widać przez okno.

ZETA rozpoczęła działalność w połowie sierpnia 1957 roku, początkowo z wodorem. Przebiegi te wykazały, że ZETA nie cierpiała na te same problemy ze stabilnością, które widziały wcześniejsze maszyny dociskowe, a ich plazma trwała milisekundy, w porównaniu z mikrosekundami, co stanowi poprawę o pełne trzy rzędy wielkości . Długość impulsów umożliwiła pomiar temperatury plazmy za pomocą środków spektrograficznych ; chociaż emitowane światło było szerokopasmowe, przesunięcie dopplerowskie linii widmowych niewielkich zanieczyszczeń w gazie (w szczególności tlenu) doprowadziło do obliczania temperatur.

Nawet we wczesnych eksperymentach zespół zaczął wprowadzać do mieszanki gaz deuterowy i zaczął zwiększać prąd do 200 000 amperów. Wieczorem 30 sierpnia maszyna wyprodukowała ogromne ilości neutronów , rzędu miliona na eksperymentalny impuls, czyli "strzał". Podjęto próbę zduplikowania wyników i wyeliminowania ewentualnego niepowodzenia pomiaru.

Wiele zależało od temperatury plazmy; gdyby temperatura była niska, neutrony nie byłyby związane z fuzją. Pomiary spektrograficzne sugerowały temperatury plazmy między 1 a 5 milionów K; w tych temperaturach przewidywana szybkość syntezy jądrowej mieściła się w zakresie dwukrotności liczby obserwowanych neutronów. Wyglądało na to, że ZETA osiągnęła długo oczekiwany cel wytwarzania niewielkiej liczby reakcji fuzji, do czego została zaprojektowana.

Wysiłki USA doznały szeregu drobnych problemów technicznych, które opóźniły ich eksperymenty o około rok; zarówno nowy Maybeatron S-3, jak i Columbus II nie zaczęły działać do mniej więcej w tym samym czasie co ZETA, mimo że były znacznie mniejszymi eksperymentami. Niemniej jednak, gdy eksperymenty te pojawiły się w Internecie w połowie 1957 roku, one również zaczęły generować neutrony. We wrześniu zarówno te maszyny, jak i nowy projekt DCX w Oak Ridge National Laboratory , wydawały się tak obiecujące, że Edward Gardner poinformował, że:

…istnieje wyraźna możliwość, że albo maszyna w Oak Ridge, albo w Los Alamos potwierdzą do stycznia 1958 r. produkcję neutronów termojądrowych.

Polityka prestiżu

ZETA widziana z góry pod koniec 1957 r.

Wieści były zbyt dobre, by je zatrzymywać w butelce. Kuszące przecieki zaczęły pojawiać się we wrześniu. W październiku Thonemann, Cockcroft i William P. Thompson zasugerowali, że nastąpią interesujące wyniki. W listopadzie rzecznik UKAEA zauważył: „Wskazuje na to, że osiągnięto fuzję”. Na podstawie tych wskazówek Financial Times poświęcił temu zagadnieniu cały dwukolumnowy artykuł. Od tego czasu do początku 1958 r. prasa brytyjska publikowała średnio dwa artykuły tygodniowo na temat ZETA. Nawet gazety amerykańskie podchwyciły tę historię; 17 listopada The New York Times doniósł o sukcesach.

Chociaż Brytyjczycy i USA zgodzili się na publikację swoich danych w całości, w tym momencie dyrektor generalny amerykańskiego programu, Lewis Strauss , postanowił wstrzymać publikację. Tuck twierdził, że dziedzina wygląda tak obiecująco, że opublikowanie jakichkolwiek danych byłoby przedwczesne, zanim naukowcy zorientowali się, że fuzja definitywnie ma miejsce. Strauss zgodził się i zapowiedział, że przez pewien czas zatrzymają swoje dane, aby sprawdzić wyniki.

Gdy sprawa stała się bardziej znana w prasie, 26 listopada w Izbie Gmin podniesiono kwestię publikacji . Odpowiadając na pytanie opozycji, lider izby ogłosił wyniki publicznie, tłumacząc jednocześnie opóźnienie publikacji z powodu porozumienia brytyjsko-amerykańskiego. Prasa brytyjska zinterpretowała to inaczej, twierdząc, że Stany Zjednoczone ociągają się, ponieważ nie są w stanie powtórzyć brytyjskich wyników.

Sytuacja osiągnęła punkt kulminacyjny 12 grudnia, kiedy były członek parlamentu, Anthony Nutting , napisał artykuł w New York Herald Tribune, w którym stwierdził:

Niektórzy ludzie zasugerowali mi mrocznie, że prawdziwym powodem niechęci Amerykanów do publikacji tej ważnej wiadomości jest polityka. Wskazują na utratę prestiżu, jaką poniosłaby administracja, gdyby musiała przyznać, że Wielka Brytania, podobnie jak Rosja, wyprzedziła Amerykę w rozwoju naukowym. Wolę wierzyć, że ta postawa wynika z niewolniczego i błędnego stosowania bezpieczeństwa. Ale bez względu na przyczynę, pokazuje godne ubolewania błędne przekonanie w Waszyngtonie o prawdziwym znaczeniu zachodniego partnerstwa i prawdziwej naturze sowieckiego zagrożenia.

Artykuł wywołał ożywienie aktywności w administracji Macmillana . Ponieważ pierwotnie planowali opublikować swoje wyniki na zaplanowanym spotkaniu Royal Society , było wielkie zaniepokojenie, czy zaprosić Amerykanów i Sowietów, zwłaszcza że wierzyli, że Amerykanie byliby bardzo zdenerwowani, gdyby Sowieci przybyli, ale tak samo zdenerwowani, gdyby nie zostali zaproszeni, a wydarzenie było w całości brytyjskie. Sprawa ostatecznie doprowadziła do tego, że UKAEA ogłosiło publicznie, że Stany Zjednoczone nie wstrzymują wyników ZETA, ale to rozwścieczyło lokalną prasę, która nadal twierdziła, że ​​USA zwlekają, aby umożliwić im nadrobienie zaległości.

Wczesne obawy

Zbliżenie reaktora ZETA podczas konserwacji. Główna toroidalna komora próżniowa znajduje się w lewym dolnym rogu, owinięta jest kablami prądowymi magnesów stabilizujących. Większe urządzenie po prawej stronie to główny magnes indukcyjny, który wytworzył prąd zaciskowy w plazmie.

Kiedy w listopadzie podpisano umowę o wymianie informacji, zrealizowano kolejną korzyść: zespoły z różnych laboratoriów mogły się wzajemnie odwiedzać. Zespół amerykański, w tym Stirling Colgate, Lyman Spitzer, Jim Tuck i Arthur Edward Ruark , wszyscy odwiedzili ZETA i doszli do wniosku, że istnieje „duże prawdopodobieństwo”, że neutrony pochodzą z fuzji.

Po powrocie do USA Spitzer obliczył, że coś jest nie tak z wynikami ZETA. Zauważył, że temperatura pozorna, 5 milionów K, nie miałaby czasu na rozwinięcie się podczas krótkich czasów wypalania. ZETA nie wyładowała do plazmy wystarczającej ilości energii, aby tak szybko ją ogrzać do tych temperatur. Gdyby temperatura rosła stosunkowo wolno, sugerowały to jego obliczenia, fuzja nie zachodziłaby na wczesnym etapie reakcji i nie mogłaby dodawać energii, która mogłaby wyrównać różnicę. Spitzer podejrzewał, że odczyt temperatury nie był dokładny. Ponieważ to odczyt temperatury sugerował, że neutrony pochodzą z syntezy jądrowej, jeśli temperatura była niższa, oznaczało to, że neutrony nie pochodzą z syntezy jądrowej.

Colgate doszedł do podobnych wniosków. Na początku 1958 roku on, Harold Furth i John Ferguson rozpoczęli szeroko zakrojone badania wyników ze wszystkich znanych maszyn zaciskowych. Zamiast wnioskować o temperaturze na podstawie energii neutronów, wykorzystali przewodnictwo samej plazmy, opierając się na dobrze poznanych zależnościach między temperaturą a przewodnością . Doszli do wniosku, że maszyny wytwarzały temperatury prawdopodobnie 1 ⁄ 10, co sugerowały neutrony, a nie na tyle gorące, aby wyjaśnić liczbę produkowanych neutronów, niezależnie od ich energii.

W tym czasie najnowsze wersje amerykańskich urządzeń zaciskowych, Maybeatron S-3 i Columbus S-4, wytwarzały własne neutrony. Świat badań nad syntezą jądrową osiągnął punkt kulminacyjny. W styczniu wyniki eksperymentów ze ściskaniem w USA i Wielkiej Brytanii ogłosiły, że uwalniane są neutrony i że najwyraźniej nastąpiła fuzja. Obawy Spitzera i Colgate zostały zignorowane.

Publikacja publiczna, zainteresowanie na całym świecie

Zespół reporterów zadaje Cockcroftowi (w środku) pytania dotyczące ZETA. To właśnie podczas tego wywiadu Cockcroft przedstawił swoją ocenę, że był w 90% pewien, że neutrony widziane z urządzenia zostały spowodowane fuzją.

Bas Pease (w środku) i Bob Carruthers (z prawej) przeprowadzają wywiady z BBC przed reaktorem ZETA.

Wydanie ZETA znalazło się na pierwszych stronach gazet na całym świecie.

W połowie stycznia ogłoszono publicznie planowaną od dawna publikację danych dotyczących syntezy jądrowej. Znaczna część materiałów z brytyjskich urządzeń ZETA i Sceptre została dogłębnie opublikowana w wydaniu Nature z 25 stycznia 1958 r. , które zawierało również wyniki z Los Alamos' Być możeatron S-3, Columbus II i Columbus S-2. Prasa brytyjska była wściekła. The Observer napisał, że „taktyka admirała Straussa zepsuła coś, co powinno być ekscytującym zapowiedzią postępu naukowego, tak że stało się to paskudnym epizodem polityki prestiżu”.

Wyniki były typowe dla normalnie trzeźwego języka naukowego i chociaż neutrony zostały odnotowane, nie było mocnych twierdzeń co do ich źródła. Dzień przed premierą Cockcroft, dyrektor generalny w Harwell, zwołał konferencję prasową, aby przedstawić wyniki brytyjskiej prasie. Pewne oznaki wagi wydarzenia można dostrzec w obecności ekipy terenowej telewizji BBC , co w tamtym czasie było rzadkim zjawiskiem. Zaczął od wprowadzenia programu zgrzewania i maszyny ZETA, a następnie zauważył:

We wszystkich eksperymentach na wyładowaniach toroidalnych zaobserwowano mniej więcej liczbę neutronów, jakiej można się spodziewać, gdyby zachodziły reakcje termojądrowe. Wiadomo jednak z wcześniejszych eksperymentów przeprowadzonych w rosyjskich i innych laboratoriach, że niestabilność w bieżącym kanale może powodować powstawanie silnych pól elektrycznych, które przyspieszają deuterony i mogą wytwarzać neutrony. Tak więc w żadnym wypadku nie udowodniono, że neutrony są spowodowane przypadkowym ruchem deuteru związanym z temperaturą rzędu pięciu milionów stopni… Ich pochodzenie stanie się jednak jasne, gdy tylko liczba neutronów produkowane mogą być zwiększone przez zwiększenie prądu i temperatury.

—  John Cockcroft , 24 stycznia 1958 r

Reporterzy na spotkaniu nie byli zadowoleni z tej oceny i nadal naciskali na Cockcrofta w sprawie neutronów. Po kilkukrotnym pytaniu stwierdził w końcu, że jego zdaniem jest „w 90 procentach pewien”, że pochodzą z fuzji. To było niemądre; za stwierdzenie faktu przyjęto opinię noblisty. Następnego dnia w niedzielnych gazetach pojawiły się informacje, że synteza jądrowa została osiągnięta w ZETA, często z twierdzeniami o tym, jak Wielka Brytania jest obecnie daleko w czołówce w badaniach nad syntezą jądrową. Cockcroft jeszcze bardziej podekscytował wyniki w telewizji, stwierdzając: „Dla Wielkiej Brytanii to odkrycie jest większe niż rosyjskiego Sputnika”.

Zgodnie z planem Stany Zjednoczone również opublikowały dużą partię wyników ze swoich mniejszych maszyn dociskowych. Wiele z nich również emitowało neutrony, chociaż ZETA była stabilizowana przez znacznie dłuższe okresy czasu i generowała więcej neutronów, około 1000 razy. Zapytany o sukces w Wielkiej Brytanii, Strauss zaprzeczył, jakoby Stany Zjednoczone były opóźnione w wyścigu syntezy jądrowej. Relacjonując ten temat, The New York Times postanowił skupić się na Columbus II Los Alamos, wspominając tylko o ZETA w dalszej części artykułu, a następnie doszedł do wniosku, że oba kraje są „łeb w łeb”. Inne raporty z USA generalnie w równym stopniu popierały oba programy. Gazety z reszty świata były bardziej przychylne Wielkiej Brytanii; Radio Moskwa posunęło się tak daleko, by publicznie pogratulować Wielkiej Brytanii, nie wspominając wcale o wynikach z USA.

Ponieważ ZETA nadal generowała pozytywne wyniki, zaplanowano budowę kolejnej maszyny. Nowy projekt został ogłoszony w maju; ZETA II byłaby znacznie większą maszyną o wartości 14 mln USD, której wyraźnym celem byłoby osiągnięcie 100 mln K i generowanie mocy netto. To ogłoszenie zebrało pochwały nawet w USA; New York Times opublikował artykuł o nowej wersji. Maszyny podobne do ZETA były ogłaszane na całym świecie; Uniwersytet w Osace ogłosił, że ich maszyna do ściskania była jeszcze bardziej skuteczna niż ZETA, zespół Aldermaston ogłosił pozytywne wyniki swojej maszyny Sceptre kosztującej tylko 28 000 USD, a nowy reaktor został zbudowany na Uniwersytecie w Uppsali, który został zaprezentowany publicznie w tym samym roku. Instytut Efremowa w Leningradzie rozpoczął budowę mniejszej wersji ZETA, choć wciąż większej niż większość, znanej jako Alpha.

Dalszy sceptycyzm, wycofywanie roszczeń

Spitzer już doszedł do wniosku, że znana teoria sugeruje, że ZETA nie zbliżała się do temperatur, które twierdził zespół, a podczas rozgłosu związanego z wydaniem pracy, zasugerował, że „Wydaje się, że w grę wchodzi jakiś nieznany mechanizm”. Inni badacze w USA, zwłaszcza Furth i Colgate, byli o wiele bardziej krytyczni, mówiąc każdemu, kto chciał słuchać, że wyniki są bzdurne. W Związku Radzieckim Lew Artsimovich pospieszył z tłumaczeniem artykułu „ Nature ”, a po jego przeczytaniu ogłosił „Czusz sobachi!” (głupie gadanie).

Cockcroft stwierdził, że otrzymywali z urządzenia za mało neutronów, aby zmierzyć ich widmo lub kierunek. Niezastosowanie się do tego oznaczało, że nie mogli wyeliminować możliwości, że neutrony są uwalniane z powodu efektów elektrycznych w plazmie, reakcji, o których wcześniej wspomniał Kurczatow. Takie pomiary byłyby łatwe do wykonania.

W tym samym przebudowanym hangarze, w którym mieściła się ZETA, znajdował się synchrocyklotron Harwell prowadzony przez Basila Rose'a. W ramach tego projektu zbudowano czułą wysokociśnieniową komorę z chmurą dyfuzyjną jako główny detektor cyklotronu. Rose był przekonany, że będzie w stanie bezpośrednio zmierzyć energie i trajektorie neutronów. W serii eksperymentów wykazał, że neutrony mają wysoką kierunkowość, co jest sprzeczne z pochodzeniem syntezy jądrowej, która, jak można by się spodziewać, była kierowana losowo. Aby jeszcze bardziej to zademonstrować, kazał uruchomić maszynę „do tyłu”, z prądem elektrycznym w przeciwnym kierunku. Wykazało to wyraźną różnicę w liczbie neutronów i ich energii, co sugerowało, że są one wynikiem samego prądu elektrycznego, a nie reakcji fuzji wewnątrz plazmy.

Następnie przeprowadzono podobne eksperymenty na Maybeatronie i Kolumbie, demonstrując te same problemy. Problemem była nowa forma niestabilności, „mikroniestabilności” lub niestabilności MHD, które były spowodowane przez falowe sygnały w plazmie. Przewidywano je, ale podczas gdy załamanie było w skali całej plazmy i można je było łatwo zobaczyć na fotografiach, te mikroniestabilności były zbyt małe i szybko się poruszały, aby można je było łatwo wykryć, i po prostu nie zostały wcześniej zauważone. Ale podobnie jak w przypadku załamania, kiedy te niestabilności się rozwinęły, rozwinęły się obszary o ogromnym potencjale elektrycznym, szybko przyspieszając protony w tym obszarze. Czasami zderzały się one z neutronami w plazmie lub ścianach pojemnika, wyrzucając je w wyniku rozprysku neutronów . Jest to ten sam proces fizyczny, który tworzył neutrony we wcześniejszych projektach, problem, o którym wspomniał Cockcroft podczas komunikatów prasowych, ale ich przyczyna była trudniejsza do zauważenia, a w ZETA były znacznie silniejsze. Obietnica ustabilizowanego szczypania zniknęła.

Cockcroft został zmuszony do opublikowania upokarzającego odwołania w dniu 16 maja 1958 r., twierdząc, że „Robi dokładnie to, czego się spodziewaliśmy, i działa dokładnie tak, jak się spodziewaliśmy”. Le Monde podniósł tę kwestię na nagłówek na pierwszej stronie w czerwcu, zauważając: „W przeciwieństwie do tego, co ogłoszono sześć miesięcy temu w Harwell – brytyjscy eksperci potwierdzają, że energia termojądrowa nie została 'udomowiona ' ”. Wydarzenie wywołało dreszcz na całym boisku; nie tylko Brytyjczycy wyglądali na głupców, każdy inny kraj zaangażowany w badania nad syntezą jądrową szybko wskoczył na modę.

Harwell w zamieszaniu, żołnierze ZETA dalej

Począwszy od 1955 roku Cockcroft naciskał na utworzenie nowego miejsca budowy wielu prototypowych reaktorów rozszczepienia produkujących energię. Zdecydowanie sprzeciwił się temu Christopher Hinton i w UKAEA wybuchła zaciekła debata na ten temat. Cockcroft ostatecznie wygrał debatę i pod koniec 1958 roku UKAEA utworzyła AEE Winfrith w Dorset , gdzie ostatecznie zbudowała kilka eksperymentalnych projektów reaktorów.

Cockcroft nalegał również na umieszczenie reaktora ZETA II w nowym miejscu. Twierdził, że Winfrith lepiej nadawałby się do budowy dużego reaktora, a niesklasyfikowane miejsce lepiej pasowałoby do niesklasyfikowanych badań. Doprowadziło to do czegoś, co zostało opisane jako „tak bliskie buntu, jaki indywidualistyczni naukowcy z Harwell mogliby ewentualnie zmontować”. Thonemann dał jasno do zrozumienia, że ​​nie jest zainteresowany przeprowadzką do Dorset i zasugerował, że kilku innych wysokich rangą członków również zrezygnuje z przeprowadzki. Następnie przez rok udał się na urlop naukowy na Princeton University . Cała sprawa była poważnym obciążeniem dla Basila Schonlanda , który przejął dywizję badań, gdy Cockcroft odszedł w październiku 1959 roku, aby zostać Mistrzem nowo utworzonego Churchill College w Cambridge .

W tym czasie pierwotna propozycja ZETA II rozrastała się coraz bardziej, ostatecznie określając prądy tak potężne, jak zbudowany wiele lat później Wspólny Europejski Torus . Ponieważ wydawało się, że wykracza to poza stan techniki, projekt został ostatecznie anulowany w lutym 1959 roku. Wkrótce w jego miejsce pojawiła się nowa propozycja, Intermediate-Current Stability Experiment (ICSE). ICSE został zaprojektowany tak, aby wykorzystać dalsze efekty stabilizujące zauważone w teorii M, które sugerowały, że bardzo szybkie skurcze powodują przepływ prądu tylko w zewnętrznej warstwie plazmy, która powinna być znacznie stabilniejsza. Z biegiem czasu ta maszyna rozrosła się do mniej więcej tego samego rozmiaru co ZETA; ICSE miał średnicę główną 6 m i średnicę mniejszą 1 m, zasilany baterią kondensatorów przechowujących 10 MJ przy 100 kV.

Harwell nie nadawał się do ICSE tak samo, jak do ZETA II, więc Schonland zwrócił się do rządu z pomysłem nowego ośrodka badań nad syntezą jądrową zlokalizowanego w pobliżu Harwell. Był zaskoczony, że byli zadowoleni z tego pomysłu, ponieważ ograniczyłoby to zatrudnienie w Harwell, którego lista płac stawała się zbyt skomplikowana, by zarządzać. Dalsze badania wykazały, że koszt budowy nowej lokalizacji zostałby zrekompensowany oszczędnościami związanymi z utrzymaniem lokalizacji w pobliżu Harwell; gdyby ICSE zostało zbudowane w Winfrith, koszty podróży między lokalizacjami byłyby znaczne. W maju 1959 UKAEA zakupiła RNAS Culham , około 10 mil (16 km) od Harwell. Budowa ICSE rozpoczęła się później w tym samym roku, zaczynając od jednoakrowego budynku, w którym mieścił się budynek, znanego jako „D-1”.

W międzyczasie kontynuowano prace nad ZETA, aby lepiej zrozumieć, co powoduje nowe formy niestabilności. Nowe techniki diagnostyczne wykazały, że energie elektronów były bardzo niskie, rzędu 10 eV (około 100 000 K), podczas gdy temperatury jonów były nieco wyższe przy 100 eV. Obydwa wskazywały na szybką utratę energii w plazmie, co z kolei sugerowało, że paliwo było turbulentne i uciekało z zamknięcia, uderzając w ściany komory, gdzie szybko się ochładzało. Pełnej prezentacji wyników dokonano na konferencji w Salzburgu w 1961 r., gdzie delegacja radziecka przedstawiła bardzo podobne wyniki na swoim klonie ZETA, Alpha.

Źródło tych turbulencji nie zostało wówczas jasno zidentyfikowane, ale zespół zasugerował, że było to spowodowane trybami rezystancyjnymi sterowanymi prądem; gdyby nie zastosować upraszczającego założenia, że ​​plazma nie ma oporu makroskopowego, w naturalny sposób pojawią się nowe niestabilności. Kiedy nowy szef UKAEA, William Penney , usłyszał, że projekt ICSE również opiera się na założeniu braku oporów, anulował projekt w sierpniu 1960 roku. Inne zespoły wydobyły części do częściowo zmontowanego reaktora.

Thonemann wrócił w tym momencie i znalazł wiele powodów, z którymi nie mógł się zgodzić na ICSE. Domagał się pozwolenia na założenie nowej grupy fuzyjnej, która miałaby pozostać w Harwell na ZETA. ZETA przez jakiś czas pozostawała największą maszyną toroidalną na świecie i przez nieco ponad dekadę robiła produktywną karierę, ale pomimo późniejszych sukcesów ZETA zawsze była znana jako przykład brytyjskiej szaleństwa.

Rozpraszanie Thomsona i tokamaki

Mike Forrest obsługuje ręcznie zbudowany laser, który jest częścią systemu rozpraszania Thomsona używanego do pomiaru temperatur w ZETA. Stało się to główną techniką diagnostyczną w dziedzinie syntezy jądrowej, stosowaną do dziś.

Porażka ZETA była spowodowana ograniczonymi informacjami; korzystając z najlepszych dostępnych pomiarów, ZETA zwróciła kilka sygnałów, które sugerowały, że neutrony powstały w wyniku fuzji. Pierwotne pomiary temperatury wykonano badając przesunięcie Dopplera linii widmowych atomów w plazmie. Niedokładność pomiaru i fałszywe wyniki spowodowane zderzeniami elektronów z pojemnikiem prowadziły do ​​mylących pomiarów na podstawie zanieczyszczeń, a nie samej plazmy. Przez następną dekadę ZETA była stale wykorzystywana w celu opracowania lepszych narzędzi diagnostycznych, aby rozwiązać te problemy.

Ta praca ostatecznie doprowadziła do opracowania metody, która jest stosowana do dziś. Wprowadzenie laserów zapewniło nowe rozwiązanie dzięki brytyjskiemu odkryciu znanemu jako rozpraszanie Thomsona . Lasery mają niezwykle dokładną i stabilną kontrolę częstotliwości, a emitowane przez nie światło silnie oddziałuje ze swobodnymi elektronami. Laser wbity w plazmę zostanie odbity od elektronów i podczas tego procesu zostanie przesunięty dopplerowsko przez ruch elektronów. Prędkość elektronów jest funkcją ich temperatury, więc porównując częstotliwość przed i po zderzeniu, można zmierzyć temperaturę elektronów z bardzo dużą dokładnością. Dzięki „odwróceniu” układu można również bezpośrednio zmierzyć temperaturę jonów.

W latach 60. ZETA nie była jedynym eksperymentem, który cierpiał z powodu nieoczekiwanych problemów z wydajnością. Problemy z dyfuzją plazmy przez pola magnetyczne nękały zarówno programy lustra magnetycznego, jak i stellaratora, w tempie, którego nie potrafiła wyjaśnić klasyczna teoria. Dodanie kolejnych pól nie rozwiązało problemów w żadnym z istniejących projektów. Prace dramatycznie zwolniły, ponieważ zespoły z całego świata próbowały lepiej zrozumieć fizykę plazmy w swoich urządzeniach. Pfirsch i Schluter jako pierwsi dokonali znaczącego postępu, sugerując, że do naprawienia tych problemów potrzebne byłyby znacznie większe i mocniejsze maszyny. Na całym polu zakorzeniła się postawa pesymizmu.

W 1968 r. w Nowosybirsku odbyło się spotkanie badaczy syntezy jądrowej , gdzie, ku zdumieniu wszystkich, radzieccy gospodarze przedstawili swoje prace nad projektami tokamaków, których wydajność nie była nawet zbliżona do żadnego innego eksperymentu. Najnowszy z ich projektów, T-3, wytwarzał energię elektronów 1000  eV , w porównaniu do około 10 eV w ZETA. Odpowiadało to temperaturze plazmy wynoszącej około 10 milionów K. Chociaż sowiecki zespół był bardzo szanowany, wyniki były tak dobre, że istniały poważne obawy, że pośrednie pomiary temperatury mogą być niewiarygodne i padły ofiarą problemu pomiarowego, takiego jak ten, który wystąpił z ZETA. Spitzer po raz kolejny dość mocno wyraził swój sceptycyzm, wywołując zaciekłą debatę z Artsimovichem.

Sowieci byli tym równie zaniepokojeni i chociaż był to szczyt zimnej wojny , Artsimovich zaprosił UKAEA do przeniesienia ich systemu laserowego do Instytutu Kurchatowa i niezależnego pomiaru wydajności. Artsimovich wcześniej nazywał swój system „genialnym”. Zespół stał się znany jako „piątka z Culham”, wykonując serię pomiarów pod koniec 1968 i na początku 1969 roku. Powstały artykuł został opublikowany w listopadzie 1969 roku i przekonał badaczy syntezy jądrowej, że tokamak rzeczywiście osiąga poziomy wydajności, jakie twierdzili Sowieci . Rezultatem było „prawdziwe szaleństwo” konstrukcji tokamaka na całym świecie, które pozostaje najbardziej zbadanym urządzeniem w dziedzinie syntezy jądrowej.

Tokamaki to toroidalne maszyny zaciskowe. Kluczową różnicą są względne siły pól. W stabilizowanych maszynach dociskowych większość pola magnetycznego w plazmie była generowana przez indukowany w niej prąd. Siła zewnętrznych pól stabilizacji była znacznie mniejsza i przenikała jedynie do zewnętrznych warstw masy plazmy. Tokamak odwrócił to; magnesy zewnętrzne były znacznie silniejsze, a prąd plazmy znacznie zmniejszony w porównaniu. Artsimovich ujął to w ten sposób:

Natężenie pola podłużnego musi być wielokrotnie większe niż natężenie pola azymutalnego wytwarzanego przez prąd. Stanowi to zasadniczą różnicę między urządzeniami tokamakowymi a systemami ze stosunkowo słabymi polami podłużnymi, takimi jak dobrze znane urządzenie angielskie Zeta.

Ta różnica jest dziś częścią ogólnej koncepcji znanej jako współczynnik bezpieczeństwa , oznaczanej jako q. Musi być większa niż jeden, aby zachować stabilność podczas wyładowania; w ZETA było to około 1 ⁄ 3 . Maszyna typu ZETA mogłaby osiągnąć to q, ale wymagałaby niezwykle silnych zewnętrznych magnesów, aby dopasować się do równie dużych pól generowanych przez prąd. Podejście tokamakiem rozwiązało ten problem, stosując mniejszy prąd zaciskania; to sprawiło, że system był stabilny, ale oznaczało, że prąd nie mógł być dłużej używany do podgrzewania plazmy. Projekty Tokamak wymagają jakiejś formy zewnętrznego ogrzewania.

Odwrócona szczypta pola

W 1965 roku w nowo otwartym laboratorium w Culham odbyło się okresowe spotkanie międzynarodowych badaczy syntezy jądrowej. Spośród wszystkich przedstawionych prac, tylko dwa artykuły na temat ustabilizowanego ucisku były obecne, oba na temat ZETA. Spitzer nie wspomniał o nich w komentarzach otwierających.

Zwykle impuls elektryczny wysyłany do ZETA tworzył impuls prądowy o kształcie podobnym do rozkładu Poissona , który szybko narasta, a następnie zanika. Jeden z artykułów zauważył, że stabilność plazmy osiągnęła maksimum tuż po tym, jak prąd zaczął się zmniejszać, a następnie trwała dłużej niż sam impuls prądowy. Zjawisko to nazwano „spokojem”.

Trzy lata później, na tym samym spotkaniu, na którym po raz pierwszy opublikowano sowieckie wyniki z tokamakiem T-3, Robinson i King przeanalizowali okres spoczynku. Ustalili, że było to spowodowane odwróceniem się pierwotnego toroidalnego pola magnetycznego, tworząc bardziej stabilną konfigurację. W tamtym czasie ogrom wyników T-3 przyćmił ten wynik.

John Bryan Taylor podjął tę kwestię i rozpoczął szczegółowe teoretyczne studia nad koncepcją, publikując przełomowy artykuł na ten temat w 1974 roku. Wykazał, że gdy pole magnetyczne, które wygenerowało szczyptę, rozluźniało się, wchodziło w interakcję z wcześniej istniejącymi polami stabilizującymi, tworząc samostabilne pole magnetyczne. Zjawisko to było spowodowane chęcią zachowania przez system spiralności magnetycznej , co sugerowało kilka sposobów na skrócenie czasu uwięzienia.

Chociaż siła stabilizująca była mniejsza niż siła dostępna w szczypie, trwała znacznie dłużej. Okazało się, że można zbudować reaktor, który zbliży się do kryterium Lawsona z innego kierunku, stosując raczej wydłużony czas odosobnienia niż zwiększoną gęstość. Było to podobne do koncepcji stellaratora i chociaż miałoby mniejsze natężenie pola niż te maszyny, energia potrzebna do utrzymania ograniczenia była znacznie niższa. Dziś takie podejście jest znane jako odwrócony pinch pola (RFP) i jest przedmiotem ciągłych badań.

Badanie Taylora nad relaksacją do stanu odwróconego doprowadziło do rozwinięcia przez niego szerszego teoretycznego zrozumienia roli spiralności magnetycznej i stanów o minimalnej energii, co znacznie pogłębiło zrozumienie dynamiki plazmy. Stan o minimalnej energii, znany jako „ stan Taylora ”, jest szczególnie ważny w zrozumieniu nowych podejść do fuzji w klasie zwartych toroidów . Taylor kontynuował badanie transformacji balonowej , problemu, który pojawiał się w najnowszych wysokowydajnych maszynach toroidalnych, gdy w plazmie powstają wielkoskalowe przebiegi fal. Jego praca w dziedzinie badań nad syntezą jądrową przyniosła mu 1999 James Clerk Maxwell Prize for Plasma Physics .

Rozbiórka

Culham zostało oficjalnie otwarte w 1965 roku, a różne zespoły zaczęły opuszczać dawne miejsca w tym okresie. Zespół utrzymywał ZETA operacyjną do września 1968 roku. Hangar 7, w którym mieściła się ZETA i inne maszyny, został zburzony w roku finansowym 2005/2006.

Uwagi

Bibliografia

Cytaty

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Brytyjski Sputnik – program BBC Radio 4 w ZETA po raz pierwszy wyemitowany 16 stycznia 2008 r.
• ZETA – Peace Atoms , współczesna opowieść o reaktorze.

Współrzędne : 51,5799°N 1,3082°W 51°34′48″N 1°18′30″W /  / 51,5799; -1,3082