Тороидальный соленоид

Тороидальный соленоид был разработан в начале 1946 года для термоядерного устройства, разработанного Джорджем Пэджетом Томсоном и Мозесом Блэкманом из Имперского колледжа Лондона . Было предложено удерживать дейтериевого топлива плазму в тороидальной (пончиковой) камере с помощью магнитов, а затем нагревать ее до температур термоядерного синтеза с использованием радиочастотной энергии, как в микроволновой печи . Он примечателен тем, что является первой такой конструкцией , запатентованной . подала секретный патент 8 мая 1946 г. и получила его в 1948 г.

Критика Рудольфа Пайерлса отметила несколько проблем с этой концепцией. В течение следующих нескольких лет Томсон продолжал предлагать начать экспериментальные усилия по изучению этих проблем, но ему неоднократно отказывали, поскольку лежащая в его основе теория диффузии плазмы не была хорошо разработана. Когда аналогичные концепции были предложены Питером Тонеманом , которые включали более практичную систему отопления, Джон Кокрофт начал относиться к этой концепции более серьезно, основав небольшие исследовательские группы в Харвелле . Томсон принял концепцию Тонемана, отказавшись от радиочастотной системы.

Когда в начале 1948 года патент все еще не был выдан, Министерство снабжения поинтересовалось намерениями Томсона. Томсон объяснил проблемы, с которыми он столкнулся при запуске программы, и что он не хочет передавать права, пока это не будет выяснено. Будучи директором ядерной программы Великобритании, министерство быстро заставило Харвелла обеспечить финансирование программы Томсона. Затем Томсон отказался от своих прав на патент, который был выдан в конце того же года. Кокрофт также финансировал работу Тонеманна, и с этого всерьез началась британская программа термоядерного синтеза. После ажиотажа в новостях по поводу проекта Хуэмул в феврале 1951 года было выделено значительное финансирование, что привело к быстрому развитию программы в начале 1950-х годов и, в конечном итоге, к реактору ZETA в 1958 году.

Концептуальная разработка

Базовое понимание ядерного синтеза было разработано в 1920-е годы, когда физики исследовали новую науку — квантовую механику . Работа Джорджа Гамова 1928 года по квантовому туннелированию продемонстрировала, что ядерные реакции могут происходить при более низких энергиях, чем предсказывала классическая теория. Используя эту теорию, в 1929 году Фриц Хоутерманс и Роберт Аткинсон продемонстрировали, что ожидаемая скорость реакции в ядре Солнца подтверждает предположение Артура Эддингтона 1920 года о том, что Солнце питается за счет термоядерного синтеза .

В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми достигли термоядерного синтеза на Земле, используя ускоритель частиц для стрельбы ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий, литий или другие элементы. Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий протекает при более низкой энергии, чем другие реакции, с пиком около 100 000 электронвольт (100 кэВ).

Эта энергия соответствует средней энергии частиц в газе, нагретом до миллиарда Кельвинов . Материалы, нагретые выше нескольких десятков тысяч Кельвинов, диссоциируют на электроны и ядра , образуя газообразное состояние вещества, известное как плазма . В любом газе частицы имеют широкий диапазон энергий, обычно соответствующий статистике Максвелла-Больцмана . В такой смеси небольшое количество частиц будет иметь гораздо большую энергию, чем основная часть.

Это приводит к интересной возможности; даже при температурах значительно ниже 100 000 эВ у некоторых частиц случайно будет достаточно энергии для термоядерного синтеза. Эти реакции высвобождают огромное количество энергии. Если эту энергию удастся вернуть обратно в плазму, она сможет нагреть до этой энергии и другие частицы, что сделает реакцию самоподдерживающейся. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что это произойдет при температуре около 50 000 000 К.

Заключение

Чтобы воспользоваться этой возможностью, необходимо, чтобы топливная плазма удерживалась вместе достаточно долго, чтобы эти случайные реакции успели произойти. Как и любой горячий газ, плазма имеет внутреннее давление и поэтому имеет тенденцию расширяться по закону идеального газа . Для термоядерного реактора проблема состоит в том, чтобы удержать плазму под этим давлением; любой известный физический контейнер расплавился бы при температуре в тысячи Кельвинов, что намного ниже миллионов, необходимых для термоядерного синтеза.

Плазма электропроводна и подвержена воздействию электрических и магнитных полей. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. Простая система удержания представляет собой заполненную плазмой трубку, помещенную внутри открытого сердечника соленоида . Плазма, естественно, хочет расширяться наружу к стенкам трубки, а также двигаться вдоль нее к концам. Соленоид создает магнитное поле, проходящее по центру трубки, вокруг которой вращаются частицы, предотвращая их движение в стороны. К сожалению, такое расположение не удерживает плазму по длине трубки, и плазма может свободно вытекать из концов.

Первоначальный дизайн

Очевидным решением этой проблемы является согнуть трубку и соленоид так, чтобы образовался тор (форма кольца или пончика). Движение в стороны по-прежнему остается скованным, и хотя частицы остаются свободными в движении вдоль линий, в этом случае они будут просто циркулировать вокруг длинной оси трубки. Но, как заметил Ферми, когда соленоид согнут в кольцо, электрические обмотки соленоида будут ближе друг к другу внутри, чем снаружи. Это приведет к неравномерному полю поперек трубки, и топливо будет медленно уходить из центра. Чтобы противодействовать этому дрейфу, необходимы дополнительные силы, обеспечивающие долгосрочное сдерживание.

Томсон начал разработку своей концепции в феврале 1946 года. Он отметил, что такое расположение заставляет положительно заряженные ионы топлива дрейфовать наружу быстрее, чем отрицательно заряженные электроны . Это приведет к образованию отрицательной области в центре камеры, которая будет развиваться в течение короткого периода времени. Этот суммарный отрицательный заряд затем будет создавать силу притяжения к ионам, удерживая их от дрейфа слишком далеко от центра и, таким образом, предотвращая их дрейф к стенкам. Похоже, это могло обеспечить долгосрочное заключение.

При этом остается вопрос, как нагреть топливо до необходимых температур. Томсон предложил ввести в тор холодную плазму, а затем нагреть ее радиочастотными сигналами, передаваемыми в камеру. Электроны в плазме будут «накачиваться» этой энергией, передавая ее ионам посредством столкновений. Если бы в камере находилась плазма с плотностью порядка 10 ¹⁴ до 10 ¹⁵ ядер/см ³ , для достижения необходимой температуры потребуется несколько минут.

Подача патента

В начале марта Томсон отправил копию своего предложения Рудольфу Пайерлсу , работавшему тогда в Бирмингемском университете . Пайерлс сразу же выразил обеспокоенность; и Пайерлс, и Томсон присутствовали на встречах в Лос-Аламосе в 1944 году, где Эдвард Теллер провел несколько неофициальных переговоров, включая ту, на которой Ферми изложил основные условия, необходимые для термоядерного синтеза. Это было в контексте водородной бомбы или «супер», как ее тогда называли. Пайерлс отметил, что США могут претендовать на приоритет в отношении такой информации и считать ее строго секретной, а это означает, что, хотя Томсон был причастен к этой информации, маловероятно, что другие в Imperial были посвящены в нее.

Учитывая проблему, Томсон решил попытаться запатентовать эту концепцию. Это обеспечит запись истоков концепций и докажет, что эти идеи возникли благодаря усилиям Великобритании, а не его предыдущей работе над атомной бомбой . В то время Томсон не был озабочен ни установлением личного приоритета этой концепции, ни получением от нее дохода. По его предложению 26 марта 1946 года они встретились с Артуром Блоком из Министерства снабжения (MoS), что привело к тому, что Б.Л. Рассел, патентный агент Министерства финансов, начал писать заявку на патент, которая полностью принадлежала бы правительству.

Опасения Пайерлса

Затем Пайерлс выступил с подробной критикой этой концепции, отметив три существенных проблемы.

Основная проблема заключалась в том, что система в целом использовала тороидальное поле для удержания электронов, а в результате возникало электрическое поле для удержания ионов. Пайерлс отметил, что это «перекрестное поле» приведет к тому, что частицы будут пересекать магнитные линии из-за правила правой руки , заставляя электроны вращаться вокруг камеры в полоидальном направлении, устраняя область увеличенного количества электронов в центре. и тем самым позволяя ионам дрейфовать к стенкам. Используя собственные данные Томсона для условий в работающем реакторе, Пайерлс продемонстрировал, что образовавшаяся нейтрализованная область будет простираться до стенок на меньшую величину, чем радиус электронов в поле. Удерживания ионов не было бы.

Он также включил две дополнительные проблемы. Один из них касался вопроса о столкновении ионов дейтериевого топлива со стенками камеры и о последствиях, которые это могло бы иметь, а другой - о том, что выход электронов из плазмы приведет к вытеснению ионов для поддержания баланса зарядов, что быстро «очистит вверх» весь газ в камере.

Пинч появляется

Томсона не слишком беспокоили две незначительные проблемы, но он признал, что основная проблема, связанная с перекрещенными полями, является серьезной проблемой. Обсудив проблему, через неделю он ответил с измененной концепцией. В этой версии внешние магниты, создающие тороидальное поле, были удалены, а удержание вместо этого обеспечивалось путем пропускания тока через плазму. Он предложил индуцировать этот ток с помощью радиосигналов, вводимых через щели, вырезанные в торе в местах, которые создавали бы волну, движущуюся вокруг тора, аналогичную системе, используемой в линейных ускорителях, используемых для ускорения электронов.

8 мая 1946 года был подан предварительный патент, обновленный для использования новой системы локализации. В патенте Томсон отметил, что основной проблемой будет преодоление потерь энергии из-за тормозного излучения . Он подсчитал, что плотность плазмы 10 ¹⁵ будет оставаться стабильным достаточно долго, чтобы энергия накачиваемых электронов нагрела D-топливо до необходимых 100 кэВ в течение нескольких минут. Хотя термин «пинч-эффект» не упоминается, за исключением концепции текущего поколения, его описание было похоже на пинч-машины, которые получили широкое распространение в 1950-х годах.

Дальнейшая критика

Затем Томсона отправили в Нью-Йорк в составе британской делегации в Комиссии ООН по атомной энергии , и он вернулся только в конце года. После своего возвращения в январе 1947 года Джон Кокрофт созвал встречу в Харвелле , чтобы обсудить свои идеи с группой, в которую входили Пайерлс, Мун и Сэйерс из Бирмингемского университета , Так из лаборатории Кларендона в Оксфордском университете , а также Скиннер , Фриш , Фукс , Френч и Бретчер из Харвелла.

Томсон описал свою концепцию, включая несколько возможных способов управления током. Пайерлс повторил свои прежние опасения, упомянув наблюдения Марка Олифанта и Гарри Мэсси , которые работали с Дэвидом Бомом над разделением изотопов в Беркли . Бом наблюдал значительно возросшую скорость диффузии, значительно превышающую ту, которую можно было бы предположить классической диффузией , сегодня известную как диффузия Бома . Если бы это было присуще таким конструкциям, Пайерлс предположил, что устройство не могло бы работать. Затем он добавил весьма пророческое заявление о том, что могут возникнуть и другие неизвестные нестабильности, которые могут разрушить условия заключения.

В заключение Пайерлс предложил Муну провести первоначальные исследования пинч-эффекта в Бирмингеме, где Мун имел некоторый опыт работы с устройствами такого рода, особенно потому, что Сэйерс уже планировал эксперименты с мощными искровыми разрядами в дейтерии. Сведений о проведении этой работы нет, хотя теоретические исследования поведения плазмы в пинче проводились.

Ранние эксперименты

Главным итогом встречи стало представление Томсону Wirbelrohr , нового типа ускорителя частиц, построенного в 1944 году в Германии. Вирбелрор использовал устройство, подобное циклотрону, для ускорения электронов в плазме, что, по мнению его создателя Макса Стинбека , должно было заставить их «оторваться» от ионов и разогнаться до очень высоких скоростей. Параллели между этим устройством и концепцией Томсона были очевидны, но механизм ускорения Стенбека был новым и представлял собой потенциально более эффективную систему нагрева.

Когда он вернулся в Лондон после встречи, Томсон поручил двум аспирантам заняться этим проектом: Алану Уэру было поручено построить вирбелрор, а Стэнли Казинсу начать математическое исследование диффузии плазмы в магнитном поле. Уэр соорудил устройство из трубки диаметром 3 см, согнутой в тор шириной 25 см. Используя широкий спектр давлений газа и токов до 13 000 ампер, Уэр смог продемонстрировать некоторые доказательства сжатия плазмы, но не смог, как и немцы, найти какие-либо доказательства отрыва электронов. Имея этот ограниченный успех, Уэр и Казинс построили второе устройство с длиной волны 40 см и силой тока до 27 000 ампер. И снова не было обнаружено никаких свидетельств отрыва электронов, но на этот раз новая высокоскоростная камера с вращающимся зеркалом смогла непосредственно отобразить плазму во время разряда и убедительно показать, что плазма действительно зажимается.

Проблемы классификации

Пока Казинс и Уэр начали свою работу, в апреле 1947 года Томсон подал более полную заявку на патент. Это описывал более крупный тор шириной 4 метра (13 футов) со множеством портов для впрыскивания и удаления газа, а также для подачи радиочастотной энергии для создания тока. Затем всю систему поместили в большой магнит, который создавал умеренное вертикальное магнитное поле напряженностью 0,15 Тл по всему тору, удерживая электроны. Он предсказал, что потребуется потребляемая мощность 1,9 МВт, и рассчитал, что реакции DD и DT генерируют 9 МВт термоядерной энергии, из которых 1,9 МВт приходится на нейтроны . Он предположил, что нейтроны можно использовать в качестве источника энергии, но также и в том случае, если система будет окружена природным ураном, в основном ²³⁸ Ну , нейтроны превратят его в плутоний-239 , основной компонент атомных бомб .

Именно эта последняя часть вызвала новые опасения. Если бы, как описал Томсон, можно было создать относительно простое устройство, которое могло бы производить плутоний, это было бы очевидной проблемой ядерной безопасности, и такая работа должна была бы быть секретной. Ни Томсон, ни Харвелл не были довольны выполнением секретной работы в университете. Учитывая проблему, Томсон предложил передать эту работу в RAF Aldermaston . Компания Associated Electrical Industries (AEI) переросла свои существующие лаборатории в Регби и Траффорд-парке и уже предложила построить новую безопасную лабораторию в Олдермастоне. AEI стремилась проникнуть в развивающуюся область ядерной энергетики, и ее директор по исследованиям Томас Аллибоун был другом Томсона. Аллибоун решительно поддержал предложение Томсона, а дальнейшую поддержку получил нобелевский лауреат Джеймс Чедвик . Кокрофт, с другой стороны, считал, что еще слишком рано начинать большую программу, которую предлагал Томсон, и продолжал откладывать.

Концепция Тонемана

Примерно в то же время Кокрофт узнал о подобной работе, независимо проведенной Питером Тонеманном в Кларендоне, что положило начало небольшой теоретической программе в Харвелле для ее рассмотрения. Но все предложения более широкой программы развития по-прежнему отвергались.

Идея Тонемана заключалась в том, чтобы заменить радиочастотную инжекцию, использованную Тонеманом, и расположить реактор как бетатрон , то есть обернуть тор большим магнитом и использовать его поле для индукции тока в торе аналогично электрическому трансформатору . Бетатроны имели естественное ограничение: количество электронов в них было ограничено из-за их самоотталкивания, известное как предел пространственного заряда . Некоторые предлагали ввести в камеру газ; при ионизации ускоренными электронами оставшиеся ионы будут создавать положительный заряд, который поможет нейтрализовать камеру в целом. Вместо этого эксперименты с этой целью показали, что столкновения между электронами и ионами будут рассеиваться так быстро, что количество оставшихся электронов фактически станет меньше, чем раньше. Однако этот эффект был именно тем, чего хотели в термоядерном реакторе, где столкновения нагревали бы ионы дейтерия.

На случайной встрече в Кларендоне Тонеманн рассказал Томсону о своей идее. Тонеманн не знал, что разговаривал с Томсоном, а также о работе Томсона над аналогичными идеями. Томсон последовал за Скиннером, который решительно поддержал концепцию Тонеманна, а не концепцию Томсона. Затем Скиннер написал статью на тему «Термоядерные реакции электрическими средствами» и представил ее Комиссии по атомной энергии 8 апреля 1948 года. Он ясно указал, где в концепциях были неизвестные, и особенно возможность разрушительных нестабильностей, которые разрушило бы заключение. Он пришел к выводу, что было бы «бесполезно проводить дальнейшее планирование» до дальнейшего изучения проблем нестабильности.

Именно в этот момент в событиях появляется любопытная закономерность. В феврале 1948 года первоначальная заявка на патент Томпсона не была удовлетворена, поскольку Министерство снабжения не было уверено в его намерениях передать права. Блэкман заболел малярией в Южной Африке, и вопрос на время был отложен. Этот вопрос был снова поднят в мае, когда он вернулся, в результате чего состоялась встреча в середине июля. Томпсон жаловался, что Харвелл не поддерживает их усилия, и что, поскольку ничего из этого не было засекречено, он хотел оставаться открытым для обращения к частному финансированию. В этом случае он не решился передать права министерству. Министерство, отвечавшее за ядерные лаборатории, включая Харвелла, быстро организовало для Кокрофта финансирование программы развития Томпсона. Программа была одобрена в ноябре, а к концу года патент был передан министерству.

Перейти в АЕИ

Работа над термоядерным синтезом в Харвелле и Империале оставалась на относительно низком уровне до 1951 года, когда произошли два события, которые существенно изменили характер программы.

Первым было признание Клауса Фукса в январе 1950 года о том, что он передавал Советскому Союзу информацию об атомной энергии. Его признание привело к немедленной и радикальной классификации почти всего, что связано с ядерной тематикой. Сюда входили все работы, связанные с термоядерным синтезом, поскольку предыдущие опасения по поводу возможности использования термоядерного синтеза в качестве источника нейтронов для производства плутония теперь казались серьезной проблемой. Предыдущие планы по переводу команды из Imperial были немедленно реализованы: лаборатории AEI были созданы в бывшем Олдермастоне и открылись в апреле. Эта лаборатория вскоре стала Научно-исследовательским институтом атомного оружия .

Вторым было объявление в феврале 1951 года о том, что Аргентина успешно осуществила термоядерный синтез в рамках своего проекта Уэмул . Физики всего мира быстро отвергли это как невозможное, что и выяснилось к 1952 году. Однако это также привело к тому, что политики узнали о концепции термоядерного синтеза и его потенциале как источника энергии. Физики, работающие над этой концепцией, внезапно обнаружили, что смогли поговорить с высокопоставленными политиками, которые оказались весьма восприимчивыми к увеличению своих бюджетов. В течение нескольких недель программы в США, Великобритании и СССР резко расширились.

К лету 1952 года в рамках британской программы термоядерного синтеза разрабатывалось несколько машин на основе общей конструкции Тонемана, и первоначальная RF-концепция Томсона была отложена.

Ссылки

Библиография

• Хендри, Джон; Лоусон, Джон (январь 1993 г.). Исследования термоядерного синтеза в Великобритании, 1945–1960 гг. (PDF) . Технология АЭА.
• Клери, Дэниел (2014). Часть Солнца: В поисках термоядерной энергии . МТИ Пресс. ISBN  978-1-4683-1041-2 .
• Бете, Ганс (1939). «Производство энергии в звездах» . Физический обзор . 55 (5): 434–456. Бибкод : 1939PhRv...55..434B . дои : 10.1103/PhysRev.55.434 . ПМИД   17835673 .
• Олифант, Марк; Хартек, Пол; Резерфорд, Эрнест (1934). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом» . Труды Королевского общества . 144 (853): 692–703. Бибкод : 1934RSPSA.144..692O . дои : 10.1098/rspa.1934.0077 .
• Хилл, Чарльз (2013). Атомная империя: техническая история взлета и падения британской программы по атомной энергии . Всемирная научная. ISBN  978-1-908977-43-4 .
• Ферт, Гарольд (30 апреля 1981 г.). «Отец токамака» . Новый учёный . Том. 90, нет. 1251. С. 274–276.
• Браамс, CM; Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . ЦРК Пресс. Бибкод : 2002nfhc.book.....B . ISBN  978-1-4200-3378-6 .
• Азимов, Исаак (1972). Миры внутри миров: история ядерной энергии (PDF) . Том. 3. Комиссия по атомной энергии США.
• Епископ Амаса (1958). Проект Шервуд; Программа США по управляемому термоядерному синтезу . Книги Аддисона-Уэсли по ядерной науке и металлургии. Аддисон-Уэсли.
• Браамс, CM; Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . ЦРК Пресс. Бибкод : 2002nfhc.book.....B . ISBN  978-1-4200-3378-6 .
• Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс. ISBN  978-0-262-02180-7 .
• Хейзелтин, РД; Мейсс, JD (2013). Удержание плазмы . Курьер. ISBN  978-0-486-15103-8 .
• Филлипс, Джеймс (зима – весна 1983 г.). «Магнитный синтез» (PDF) . Лос-Аламосская наука .
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2012). Термоядерный синтез: энергия Вселенной . Академическая пресса. ISBN  978-0-12-384657-0 .
• Томсон, Джордж (30 января 1958 г.). «Термоядерный синтез: задача и триумф» . Новый учёный . Том. 3, нет. 63. стр. 11–13.
• Хансен, Джеймс (весна 1992 г.). «Тайно станем ядерным» . Изобретения и технологии . Том. 7, нет. 4.
• Гудман, Майкл (июль 2005 г.). «Кто пытается сохранить какой секрет, от кого и почему? Отношения МИ5-ФБР и дело Клауса Фукса». Журнал исследований холодной войны . 7 (3): 124–146. дои : 10.1162/1520397054377160 . ISSN   1531-3298 . S2CID   57560118 .
• Арну, Робер (26 октября 2011 г.). « Proyecto Huemul»: розыгрыш, с которого все началось» . итер .