Астрон (термоядерный реактор)
Astron устройства , — это тип термоядерного впервые разработанного Николасом Христофилосом и построенного в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в 1960-х и 70-х годах. Astron использовала уникальную систему удержания, которая позволила избежать некоторых проблем, встречающихся в современных конструкциях, таких как стелларатор и магнитное зеркало . Разработка была значительно замедлена из-за ряда изменений в конструкции, которые были внесены при ограниченном контроле, что привело к созданию комитета по обзору для наблюдения за дальнейшей разработкой. Astron не смог достичь целей производительности, поставленных перед ним комитетом; финансирование было отменено в 1972 году, а разработка свернулась в 1973 году. Работа над подобными конструкциями, похоже, продемонстрировала теоретическую проблему в самой конструкции, которая предполагает, что ее никогда не удастся использовать для практической генерации.
История
[ редактировать ]
Сильная фокусировка
[ редактировать ]Христофилос наиболее известен тем, что независимо изобрел концепцию сильной фокусировки , особенность, используемую в ускорителях частиц . Впервые он начал работать в этом направлении в конце 1940-х годов, когда руководил компанией по установке лифтов. [1] а в 1948 году он написал письмо в тогдашнюю радиационную лабораторию Калифорнийского университета в Беркли, изложив несколько идей по фокусировке ускорителя. Когда ему вернули письмо, указав на несколько проблем, он решил их и написал снова. Второе письмо было проигнорировано. В 1950 году Христофилос подал заявку на патент, которая была выдана в 1956 году как патент США № 2 736 799. [2]
Примерно в то же время Эрнест Курант , Милтон Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер из Брукхейвенской национальной лаборатории рассматривали ту же проблему и разработали такое же решение, написав об этом в выпуске Physical Review от 1 декабря 1952 года . [3] Увидев газету, Христофилос организовал поездку в США, приехав через два месяца. Направляясь в Брукхейвен, он гневно обвинил их в краже идеи из его патента. Он также встретился с членами Комиссии по атомной энергии , и после встречи со своими адвокатами они заплатили ему 10 000 долларов за патент. [4]
Предложение Астрона
[ редактировать ]С покупкой патента Христофилос получил некоторую известность и достаточно денег, чтобы войти в мир физики США. В апреле 1953 года он посетил встречу проекта «Шервуд» и представил еще одну идею, над которой он работал в Греции, — Astron. [5]
Основная идея заключалась в том, чтобы ввести электроны высокой энергии в магнитное зеркало («резервуар»). Электроны будут захватываться зеркалом и создавать слой тока возле внешней поверхности объема резервуара, который он назвал «E-слоем». E-слой сам по себе будет создавать мощное магнитное поле по мере своего создания, и как только ток достигнет критической плотности, поля «перевернутся» и свернутся в новую конфигурацию замкнутых линий, которые образуют непрерывную область ограничения. Как только E-слой будет успешно сформирован, термоядерное топливо будет введено в область внутри него и нагрето за счет взаимодействия с E-слоем, чтобы довести его до температур термоядерного синтеза. [6]
Такое расположение решило одну из основных проблем базовой концепции магнитного зеркала, которое имело открытые силовые линии на концах. Топливо могло следовать по этим линиям прямо из реактора. Таким образом, зеркала естественным образом пропускали плазму , хотя конструкторы считали, что можно решить эту проблему, эксплуатируя машины при очень высоких температурах. На практике утечка оказалась даже выше, чем предполагала базовая теория, и никогда не достигала тех уровней, которых они надеялись достичь. [7]
В то время Шервуд все еще хранил секрет, что создавало проблемы, когда он впервые изложил концепцию. Прежде чем он вышел на сцену, формулы предыдущего сеанса на доске были тщательно стерты. Когда он заполнял доску своими собственными уравнениями, кто-то услужливо показал ему кнопки, которые поднимали ее и открывали новую. Этот файл не был стерт, и поэтому пришлось принять срочные меры по предотвращению утечки конфиденциального материала. Чтобы избежать повторения событий, Христофилосу дали работу в Брукхейвене, где он мог продолжить работу над теорией Астрона. [8]
Астронные испытания
[ редактировать ]
В 1956 году Христофилос наконец получил допуск к секретной информации и немедленно переехал в Ливерморскую национальную лабораторию имени Лоуренса (LLNL), чтобы начать работу над концепцией Astron. Через два года был достигнут достаточный прогресс, и он смог представить эту идею на конференции «Атом для мира» в Женеве в 1958 году вместе с моделью системы, которую они предлагали построить. Он состоял из двух основных частей: магнитной бутылки, в которой должна была удерживаться плазма, и ускорителя частиц, обеспечивающего релятивистские электроны. [9]
Несмотря на свой успех, Христофилос всегда был аутсайдером в лаборатории. Time сообщил, что «у него до сих пор нет степени по физике, а его греческий акцент, греческая болтливость и любовь к страстным спорам делают его аутсайдером». [10] Это привело к разногласиям внутри физического истеблишмента и первым призывам к прекращению программы «Астрон». Обзор всех усилий по проекту «Шервуд» в 1963 году привел к официальным призывам к его отмене. Однако у программы были сторонники среди руководства программы управляемого термоядерного синтеза, в частности Гленн Сиборг и Джон С. Фостер , оба имели сильные связи с LLNL. Фостер, в частности, был обеспокоен группами в Вашингтоне, диктующими развитие лабораторий. После долгих споров было решено, что программу будет разрешено продолжить, но к 1965 году необходимо будет продемонстрировать изменение направления деятельности. [11]
К 1963 году коллектив спроектировал и построил новый тип линейного индукционного ускорителя с необходимыми свойствами. Конструкция ускорителя вызвала интерес как оружие на основе пучков частиц, изучаемое в рамках проекта Seesaw. [12] Однако во время строительства команда поняла, что электроны могут свободно возвращаться в зону ускорителя. Христофилос решил эту проблему, введя резисторные провода, которые слегка замедляли движение электронов после входа в резервуар, поэтому они больше не обладали энергией, необходимой для обратного потока. [13]
После некоторой работы по устранению ошибок первые результаты были опубликованы в июне 1964 года. Ускоритель работал при 4 МэВ и токе 120 А, и было подтверждено наличие стабильного E-слоя, хотя и генерирующего только 2 А/см тока, всего 0,05%. диамагнитного поля, необходимого для обращения поля. [14] Работа продолжала достигать цели 1965 года по развороту ситуации, но в конечном итоге потерпела неудачу. Однако электронный слой был стабилен, поэтому комитет Херба-Эллисона рекомендовал продолжить работу до следующей вехи. [15]
К 1967 году этот показатель был улучшен до 6%, но это было еще далеко от стабильного E-уровня, которого должно было достичь устройство. В 1968 году Христофилос и Т. Кеннет Фаулер написали отчет с просьбой установить более мощный ускоритель и модернизировать танк. [16]
проверка
[ редактировать ]Средства на модернизацию в конечном итоге были предоставлены, но только за счет прямого надзора со стороны специальной группы, созданной AEC. К этому моменту «традиционные» конструкции — стелларатор и магнитное зеркало — уже давно работали с реальной плазмой и медленно увеличивали давление и температуру. С другой стороны, Astron был еще далек от создания своего первого полезного E-слоя, необходимого условия для экспериментов с плазмой. [17]
Специальная группа вернулась к отрицательному отчету, жалуясь на то, что слишком много усилий было затрачено на решение эксплуатационных вопросов, таких как производительность ускорителя, при этом практически или совсем не было усилий на теоретические исследования того, будет ли плазма когда-либо стабильной, даже если E-слой сможет формироваться. [18] Более того, комиссия отметила, что никто серьезно не изучал, потребует ли работающий и стабильный Astron для работы больше энергии, чем он выделит. Это вызывало серьезную озабоченность в Астроне, поскольку его релятивистские электроны излучали большое количество энергии из-за электронного синхротронного излучения . [19]
Христофилос уже рассмотрел это и предположил, что в рабочей конструкции будут использоваться протоны вместо электронов и не будет страдать от такого же уровня потерь энергии. Однако в то время такого ускорителя не существовало, и группа экспертов весьма скептически относилась к тому, что его будет просто построить. [20]
Обновление
[ редактировать ]Модернизация Astron началась и началась в 1969 году. В этот период, следуя рекомендациям Группы, теоретические подразделения LLNL начали гораздо более серьезно относиться к этой концепции. Создавая компьютерные модели системы, они сначала решили проблему «наложения», когда отдельные импульсы электронов из ускорителя не накапливались в E-слое, как ожидалось. Брюс Лэнгдон продемонстрировал, что штабелирование просто не сработает. [21]
Однако предложение Фаулера спасло Astron от этой проблемы. Он отметил, что добавление второго магнитного поля, проходящего по центру резервуара, уменьшит количество внешнего поля, необходимого для создания E-слоя. Христофилос продолжил это изменение и начал испытания в 1971 году; это продемонстрировало значительно улучшенные характеристики как за счет уменьшения тока, так и за счет успешного захвата электронов. Это также позволило суммировать два импульса, увеличив диамагнитную напряженность поля до 15%. [21]
Пока Astron работал над созданием нескольких импульсов, команда Корнелльского университета работала над аналогичной конструкцией. Однако в этом эксперименте с релятивистской электронной катушкой (RECE) использовался один длинный импульс электронов, а не концепция суммирования. В конце 1971 года они объявили, что добились полного изменения поля. Христофилос не был впечатлен; эта конструкция не была бы полезна для стационарного термоядерного генератора, поскольку машина могла поддерживать себя только за счет постоянного добавления импульсов. [22]
Отмена
[ редактировать ]Столкнувшись с продолжающимися проблемами с Astron и кажущейся легкостью, с которой команде RECE удалось достичь целей, которые они первоначально предложили в 1968 году, вторая специальная группа опубликовала резкий отчет. Среди проблем они отметили, что команда Astron искала «гениальные способы избежать или обойти трудности, а не понять их». [23] Рой Гулд , глава программы управляемого термоядерного синтеза AEC, конкретно разрешил продолжить проект Astron, но только в том случае, если он достигнет ряда целей в определенные сроки. [24]
Когда в 1972 году Роберт Хирш возглавил подразделение AEC по контролируемому термоядерному синтезу, он провел тщательную проверку, чтобы классифицировать изучаемые подходы и исключить дублирование и проекты с низкой отдачей. Учитывая впечатляющие результаты токамака, выпущенного в 1968 году, Хирш отдал предпочтение программе с относительно небольшим количеством проектов, каждый из которых предусматривал гораздо больший бюджет. [25] Многие программы, такие как Astron, просто не приносили никакой отдачи в краткосрочной перспективе, и Хирш стремился отменить их.
24 сентября 1972 года Христофилос встретился с Джеймсом Шлезингером из AEC, но записей о встрече не сохранилось. После долгого дня он отправился в местный отель Holiday Inn, чтобы сэкономить на долгой дороге домой. Той ночью он перенес обширный сердечный приступ и умер. [24]
Ричард Бриггс взял на себя руководство проектом до его запланированного закрытия в июне 1973 года. Под его руководством Астрон вернулся к изучению нового стабилизирующего поля, введенного Фаулером, и, используя одиночные более крупные импульсы, устройство достигло 50% диамагнитной силы, что намного превышает Усилия Христофилоса с импульсными цепями. В их окончательном отчете говорилось, что «наращивание E-слоя путем многоимпульсной инъекции в целом было безуспешным», и отмечалось, что на момент остановки они все еще не понимали, какая физическая проблема ограничивает наращивание. [26]
После Астрона
[ редактировать ]Хотя Astron закрылась, работа с RECE в Корнелле продолжалась некоторое время. В рамках своей работы команда попыталась перейти от электронов к протонам. Однако, как некоторые подозревали, «P-слой» оказалось трудным для создания, и переворот поля с помощью протонов так и не был достигнут. Последняя версия этой разработки, FIREX, закрылась в 2003 году, продемонстрировав, по-видимому, чисто теоретическую причину, по которой концепция Astron никогда не будет работать. [27]
Релятивистское электронное кольцо также сыграло свою роль в конструкции неровного тора . Это была еще одна попытка «заткнуть концы» зеркал, соединив несколько зеркал встык, чтобы сформировать тор. Электроны доводились до высоких энергий не за счет прямой инжекции, а за счет внешнего электронно-циклотронного нагрева (ЭЦГ), управляемого микроволновым излучением. [28]
Описание
[ редактировать ]Аппарат «Астрон» состоял из двух секций: линейного ускорителя и магнитного зеркала-«резервуара». Они были построены под прямым углом, при этом выходная мощность ускорителя направлена в сторону танка с одного конца. [29]
Резервуар был относительно простым примером концепции магнитного зеркала , состоящим в основном из длинного соленоида с дополнительными обмотками на обоих концах для увеличения магнитного поля в этих областях и формирования зеркала. [30] В простом зеркале ионы топливной плазмы инжектировались под углом, поэтому они не могли просто вытекать прямо из концов, где поле было примерно линейным. Однако на обоих концах существовала кольцевая область, откуда могли уйти ионы нужной энергии, и различные расчеты показали, что скорость будет довольно высокой.
Впрыскивая электроны в зеркало перед топливом, E-слой создаст второе магнитное поле, которое заставит кольцевые области сгибаться обратно в центр резервуара. Полученное поле имело форму трубки и было очень похоже на конфигурацию с обратным полем или FRC. [30] Основное различие между этими устройствами заключается в способе достижения обращения поля; с E-слоем в Астроне и токами в плазме для FRC. Как и в классическом зеркале, Astron вводил электроны в зеркало под небольшим углом, чтобы обеспечить их циркуляцию в центр зеркала. [29]
Сегодня Astron часто считают подклассом концепции FRC. [31]
Ссылки
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Коулман 2004 , с. 5.
- ^ Коулман 2004 , стр. 5–6.
- ^ Эрнест Курант, М. Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер. «Синхротрон с сильной фокусировкой — новый ускоритель высоких энергий», Physical Review Volume 88 (1952). п. 1190.
- ^ Коулман 2004 , стр. 8–9.
- ^ Коулман 2004 , с. 9.
- ^ Бромберг 1982 , с. 120.
- ^ Коулман 2004 , с. 11.
- ^ Коулман 2004 , стр. 11–12.
- ^ Коулман 2004 , стр. 15–16.
- ^ Бромберг 1982 , с. 122.
- ^ Бромберг 1982 , с. 123.
- ^ Коулман 2004 , с. 20.
- ^ Коулман 2004 , с. 19.
- ^ Коулман 2004 , с. 21.
- ^ Бромберг 1982 , с. 202.
- ^ Коулман 2004 , стр. 22–23.
- ^ Коулман 2004 , стр. 26–27.
- ^ Бромберг 1982 , с. 203.
- ^ Коулман 2004 , стр. 29–31.
- ^ Коулман 2004 , с. 32.
- ^ Jump up to: а б Коулман 2004 , с. 34.
- ^ Коулман 2004 , с. 35.
- ^ Коулман 2004 , с. 37.
- ^ Jump up to: а б Коулман 2004 , с. 40.
- ^ Коулман 2004 , с. 38.
- ^ Коулман 2004 , с. 42.
- ^ Коулман 2004 , с. 43.
- ↑ Джим Коббл, «Эксперимент с ухабистым тором, управляемый микроволновой печью». Архивировано 25 апреля 2012 г. в Wayback Machine , Национальная лаборатория Лос-Аламоса, 18 августа 2011 г.
- ^ Jump up to: а б Коулман 2004 , с. 52.
- ^ Jump up to: а б Коулман 2004 , с. 49.
- ^ Корнелис Мариус Браамс, Питер Стотт, «Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием» , CRC Press, 2002, стр. 106
Библиография
[ редактировать ]- Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс . ISBN 9780262021807 .
- Коулман, Элишева (4 мая 2004 г.). Греческий огонь: Николас Христофилос и проект «Астрон» в американской программе термоядерного синтеза (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 января 2017 года . Проверено 31 октября 2011 г.
Термоядерная энергия , процессы и устройства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Основные темы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Процессы, методы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Устройства, эксперименты |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
