Тета-пинч

Оригинальная «Сцилла» была завершена в 1958 году и вскоре продемонстрировала первые реакции управляемого термоядерного синтеза. Реакционная камера находится в центре белой трубки справа.

Тета-пинч , или θ-пинч , — это тип конструкции термоядерного энергетического реактора. Название относится к конфигурации токов, используемых для удержания плазменного топлива в реакторе, который движется вокруг цилиндра в направлении, обычно обозначаемом как тэта на диаграммах полярных координат . Название было выбрано, чтобы отличить его от машин, основанных на эффекте сжатия , благодаря которому их токи проходят по центру цилиндра; они стали известны как машины с z-пинчем , обозначающие ось Z в декартовых координатах .

Тета-пинч был разработан в основном в Соединенных Штатах, в основном в Национальной лаборатории Лос-Аламоса (LANL) в серии машин, известных как Сцилла. В 1958 году «Сцилла I» стала первой машиной, наглядно продемонстрировавшей термоядерные реакции синтеза контролируемым образом дейтерия. Это стало одним из основных направлений исследований в области термоядерного синтеза в 1960-е годы. General Electric и Военно-морская исследовательская лаборатория также экспериментировали с этой концепцией, а позже и многие международные лаборатории. Серию машин завершала Сцилла IV, которая демонстрировала температуру до 80 миллионов К , что более чем достаточно для поддержания горящей плазмы. Во время этих запусков Сцилла IV произвела миллиарды термоядерных реакций.

Машины «Сцилла» также продемонстрировали очень плохое время удержания — порядка нескольких микросекунд. Считалось, что это произошло из-за потерь на концах линейных трубок. Scyllac (закрытая Сцилла) был разработан для испытания тороидальной версии, которая могла бы улучшить удержание в тысячу раз. Ошибка проектирования привела к тому, что Scyllac не смог приблизиться к желаемым характеристикам, и Комиссия по атомной энергии США закрыла программу в 1977 году, чтобы сосредоточиться на токамаке и магнитном зеркале .

Отчасти отсутствие интереса к тэте с 1970-х годов связано с вариацией конструкции, известной как конфигурация с обращенным полем , или FRC, которая подверглась значительным исследованиям. В этой версии индуцированные магнитные поля принимают закрытую форму, обеспечивающую лучшее удержание. Различий настолько, что FRC считаются отдельной концепцией. Точно так же тета-пинч часто наблюдается в термоядерных системах с намагниченными мишенями , но они также существенно отличаются от первоначальной концепции.

Основы фьюжн

Основная статья: Ядерный синтез

Ядерный синтез происходит, когда ядра , протоны и нейтроны сближаются настолько близко, что ядерная сила стягивает их в одно большее ядро. Противоположностью этому действию является электростатическая сила , которая заставляет электрически заряженные частицы с одинаковыми зарядами, например протоны, отталкивать друг друга. Чтобы слиться, частицы должны двигаться достаточно быстро, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Ядерная сила увеличивается с увеличением количества ядер, а кулоновский барьер снижается, когда количество нейтронов в ядрах максимально, что приводит к максимальной скорости синтеза изотопов более легких элементов, таких как водород и гелий, с дополнительными нейтронами.

Используя классический электромагнетизм , энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, была бы огромной. Расчеты значительно изменились в 1920-е годы, когда физики исследовали новую науку — квантовую механику . Статья Джорджа Гамова 1928 года о квантовом туннелировании продемонстрировала, что ядерные реакции могут происходить при гораздо более низких энергиях, чем предсказывала классическая теория. Используя эту новую 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 и другие элементы. Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий происходит при самой низкой энергии, достигающей максимума около 100 000 электронвольт (100 кэВ).

Эта энергия соответствует средней энергии частиц в газе, нагретом примерно до 10 миллиардов Кельвинов (К). Материалы, нагретые выше нескольких тысяч К, 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 средних температурах значительно ниже 100 кэВ некоторые частицы внутри газа случайным образом будут иметь достаточно энергии для термоядерного синтеза. Эти реакции выделяют 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 для дейтерий-тритиевого топлива это произойдет при температуре около 50 миллионов К.

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 хочет расширяться в соответствии с законом идеального газа . Для термоядерного реактора проблема состоит в том, чтобы удержать плазму под этим давлением; любое известное вещество плавилось бы при таких температурах. Поскольку плазма состоит из свободно движущихся заряженных частиц, она является электропроводной . Это делает его подверженным 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, такая конструкция не удерживает плазму по длине трубки, и плазма может свободно вытекать из концов. Для чисто экспериментальной машины потери не обязательно являются серьезной проблемой, но производственная система должна будет устранить эти конечные потери.

Пинч-эффект

На заре программы термоядерного синтеза быстро появились три проекта, решающие эти проблемы. Стелларатор . был довольно сложным устройством, но имел некоторые привлекательные качества Магнитное зеркало и устройства с пинч-эффектом были значительно проще: первое состояло из модифицированного соленоида, а второе фактически представляло собой мощную версию люминесцентной лампы . Пинч, в частности, казался чрезвычайно простым решением проблемы изоляции и активно изучался в лабораториях США, Великобритании и СССР.

Когда эти машины начали тестироваться на более высоких уровнях изоляции, быстро стала очевидна серьезная проблема. Когда подавался ток и плазма начинала сжиматься в столб, она становилась нестабильной, извивалась и в конечном итоге ударялась о стенки трубки. Вскоре стало понятно, что это произошло из-за небольших различий в плотности газа; когда был применен разряд, области, где плотность была даже немного выше, имели бы более высокий ток и, следовательно, большее магнитное давление. Это привело бы к более быстрому сжатию этой области, дальнейшему увеличению плотности, и цепная реакция, известная как «перегиб», вынудила бы ее покинуть область заключения.

В начале 1950-х годов все эти усилия были секретными. Это закончилось в 1956 году, когда Игорь Курчатов , руководитель советских проектов по созданию атомной бомбы , предложил выступить с докладом перед своими британскими коллегами. К всеобщему удивлению, Курчатов изложил советскую программу термоядерного синтеза, говоря в основном о линейных пинчах и огромных проблемах, с которыми они сталкивались со стабильностью плазмы. Британцы уже знали, что у США есть аналогичные проблемы, а также свои собственные. Теперь оказалось, что быстрого пути к термоядерному синтезу нет, и были предприняты усилия по рассекречиванию всей области. Все три страны опубликовали свои исследования в 1958 году на второй встрече «Атом для мира» в Женеве.

Тета-пинч

Одним из подходов к решению проблем устойчивости, наблюдаемых в пинч-машинах, была концепция «быстрого пинчинга». В этом подходе электрический ток, создавший пинч, подавался одним коротким импульсом. Всплеск был слишком коротким, чтобы вызвать коллапс всей плазмы, вместо этого сжались только внешние слои, причем так быстро, что образовалась ударная волна . Целью было использовать эту ударную волну для сжатия плазмы вместо обычного пинча, который пытался сжать весь плазменный столб.

Зеркало и стелларатор не сжимали плазму в значительной степени и, похоже, не страдали от проблем со стабильностью. Однако у этих устройств была практическая проблема. В системе пинча коллапс плазмы вызвал ее нагревание, а это означает, что ток обеспечивал как силу удержания, так и тепло, необходимое для запуска реакций синтеза. Для других устройств потребуется какой-то внешний источник тепла. Ричард Пост , руководитель американской программы зеркал в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL), создал серию зеркал, в которых для сжатия плазмы использовались внешние магниты.

В Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) Алан Колб увидел концепцию зеркального сжатия и придумал объединить ее с ударным сжатием метода быстрого сжатия, получив преимущества обоих. Его первая концепция состояла из зеркала с металлическими кольцами на обоих концах. Как только в зеркале образовалась плазма, в два кольца был направлен один огромный всплеск тока. Идея заключалась в том, чтобы вызвать быстрое сжатие на обоих концах трубки, создавая ударные волны, которые будут двигаться внутрь и встречаться в середине зеркала.

Когда они обсудили этот проект, появился совершенно новый подход. В этой версии пинч создавался через один широкий лист меди, один раз обернутый вокруг трубки. При подаче питания ток тек по внешней стороне трубки, создавая магнитное поле под прямым углом, проходящее по длинной оси трубки. Это поле, в свою очередь, вызывало ток, текущий вокруг плазмы, или «пограничной зоны».

Согласно закону Ленца , этот ток будет направлен в направлении, создающем магнитное поле, противоположном направлению того, которое его создало. Это привело к вытеснению исходного поля из плазмы к полю в медном листе. Именно взаимодействие этих двух полей в области между плазмой и стенкой контейнера создало внутреннюю движущую силу, которая сжимала плазму. Поскольку в объеме плазмы не было тока, она не подвергалась нестабильностям, наблюдаемым в других устройствах пинча.

Когда новый дизайн стал известен в энергетических лабораториях, Джеймс Л. Так из Лос-Аламоса окрестил его тэта-пинчем. чтобы отличить его от оригинального подхода. Первоначальная конструкция зажима задним числом стала известна как z-пинч. Другие также проявили интерес к дизайну; в General Electric (GE) сформировалась небольшая группа, чтобы рассмотреть эту концепцию как основу для энергетического реактора.

Успех слияния

Британская ZETA заработала в августе 1957 года, и к концу следующего месяца команда постоянно измеряла всплески миллионов нейтронов. Визит Курчатова годом ранее предостерег от слишком поспешных выводов о том, что нейтроны в системе являются результатом термоядерного синтеза и что существуют другие реакции, которые могут их произвести. Команда ZETA не учла это достаточно внимательно и пришла к убеждению, что они произвели реакции синтеза. Они опубликовали это для прессы 25 января 1958 года, и это сразу же стало новостью для всего мира. Однако дальнейшая работа в апреле ясно показала, что нейтроны возникли не в результате термоядерного синтеза, а в результате нестабильности в плазме, которую невозможно было увидеть на их испытательном оборудовании.

В NRL Колб начал строительство новой версии своей машины Pharos для проверки концепции одного кольца. В то же время в Лос-Аламосе Так начал строительство системы с двумя кольцами, похожей на оригинальное зеркало Колба. Любитель мифологических названий, Так назвал дизайн Сциллой. Сцилла I начала работу в начале 1958 года и вскоре начала испускать десятки тысяч нейтронов за импульс. Именно в это время Кейт Бойер начал модификацию использования одновитковой катушки, такой как Pharos. Когда новая версия была запущена, она начала испускать десятки миллионов нейтронов.

События, связанные с заявлениями ZETA, вынудили команду Сциллы быть абсолютно уверенными в том, что нейтроны возникли в результате термоядерного синтеза, и команда провела лето 1958 года, проводя с этой целью всевозможные независимые измерения. К этому времени «Фарос» Колба также производил нейтроны. Целью было так или иначе получить окончательные результаты к встрече в Женеве. К сожалению, времени просто не хватило; команда отправила на шоу Сциллу I в сентябре и упомянула, что она генерирует около 20 миллионов нейтронов за выстрел, но старался не заявлять об их происхождении.

Окончательные доказательства были предоставлены вскоре после шоу. Широкий спектр экспериментов с системой продемонстрировал, что ионы термализовались при температуре около 15 миллионов Кельвинов, что намного горячее, чем ZETA, и достаточно жарко, чтобы объяснить появление нейтронов, если они возникли в результате реакций синтеза. Это было первое явное доказательство того, что реакции термоядерного синтеза дейтерия в лаборатории возможны.

Более поздние устройства

Обеспокоенный постоянно растущей стоимостью программы термоядерного синтеза, Пол МакДэниел , директор отдела исследований Комиссии по атомной энергии США (AEC), решил, что бюджет 1963 финансового года должен отменить один проект из многих, разрабатываемых в лабораториях. . Так утверждал, что всем исследователям следует сосредоточиться только на небольших системах, чтобы доказать физику, и что нет смысла расширять масштабы, пока не будут продемонстрированы основы. Таким образом, в Лос-Аламосе было большое количество небольших машин, в результате чего у них не было единой универсальной концепции. Макдэниел понес бы наименьшие политические последствия, если бы он отменил одну из программ Лос-Аламоса. Это преподало Таку важный урок; способ избежать отмены заключался в том, чтобы быть слишком большим, чтобы потерпеть неудачу . Во время выступления перед Конгрессом в 1964 году он заявил: «Мы устояли перед искушением построить огромные машины или нанять большой персонал. Это звучит очень добродетельно, но теперь я понял, что это было самоубийством». Так, Ричард Ташек и директор Лос-Аламоса Норрис Брэдбери были убеждены, что лаборатории нужна серьезная машина.

Между тем, успех Сциллы I привел к появлению ряда потенциальных путей развития, которые начали исследовать в начале 1960-х годов. В краткосрочной перспективе в результате ряда незначительных улучшений была создана Scylla II, которая была похожа на оригинал, но позже мощность конденсатора была увеличена с 35 кДж до 185. Она появилась в строй в 1959 году, но использовалась лишь недолго, в то время как гораздо более крупная Scylla III находилась в эксплуатации. построен и введен в эксплуатацию в конце 1960 года. Первые операции были успешными и быстро привели к созданию еще более крупной модели Scylla IV, которая начала работу в январе 1963 года. Scylla IV дала отличные результаты, достигая 80 миллионов Кельвинов и 2 х 10 ¹⁶ плотности частиц – глубоко в области практического реактора – и производил миллиарды реакций за импульс. К сожалению, система также продемонстрировала очень малое время удержания, порядка 2 микросекунд, что слишком мало для практической конструкции реактора.

В 1960-е годы тета-пинч стал одной из ведущих программ в области термоядерного синтеза. Новые команды были созданы в Олдермастоне и недавно открытом Калхэме в Великобритании, кампусе Гархинг и исследовательском центре Юлих в Германии, национальных лабораториях Фраскати в Италии, а также в Университете Нагои , Университете Осаки и Университете Нихон в Японии. Эти эксперименты показали, что система подвержена новой форме нестабильности, нестабильности m = 2, которая заставляет плазму истончаться из исходного цилиндра и принимать форму, подобную штанге. Это привело к многочисленным экспериментам с различными компоновками, чтобы предотвратить вращение плазмы, вызывающее эту нестабильность.

Примерно в это же время General Electric отказалась от участия. Поскольку оказалось, что в краткосрочной перспективе прорыв в производительности невозможен, для продвижения их исследований потребуются более крупные машины, которые они не хотели создавать, используя только внутреннее финансирование. Обзор этой области был опубликован под руководством Лесли Кука, в котором был сделан вывод: «Вероятность разработки экономически успешной термоядерной электростанции в обозримом будущем невелика». GE обратилась к AEC за финансированием, но оно было отклонено, поскольку их программа, похоже, не предлагала ничего нового по сравнению со Scylla IV. Затем GE свернула свою программу.

Тороидальная тета

Фред Рибе описывает концепцию Scyllac. Исходное поле M&S находится вверху справа, внутренний путь удлиняется за счет ряда гофров в поле. Магниты, необходимые для этого, находятся в правом нижнем углу.

Исследователи были убеждены, что короткое время удержания было связано с потерями частиц из открытых концов реактора. В 1965 году Фред Рибе , сменив Така на посту руководителя группы «Сцилла», приступил к изучению практических реакторов на основе схемы «Сцилла». Они обнаружили, что систему можно улучшить, используя воспроизводящее одеяло в качестве своего рода магнитного проводника, что позволяет сделать подачу внешнего тока гораздо менее интенсивной, поскольку она будет усиливаться при прохождении через металлическое одеяло. Чтобы конструкция работала с заданными показателями конечных потерь, она должна была быть чрезвычайно длинной — расчеты показали, что она должна составлять 500 метров (1600 футов), чтобы достичь требуемого удержания в 3 миллисекунды, требуемого критерием Лоусона . Это, в свою очередь, потребует невероятно большого источника питания.

Проблему торцевого потока проще всего решить, согнув экспериментальную трубку так, чтобы она приобрела форму тора (бублика или кольца). В этом случае частицы, протекающие вдоль длинной оси устройства, уже ни с чем не сталкиваются и могут циркулировать вечно. Однако с самых первых дней термоядерного синтеза было продемонстрировано, что эта конфигурация нестабильна: когда к такому контейнеру прикладывается магнитное поле, чисто из-за геометрии поле внутри кривой сильнее, чем снаружи. , что приводит к возникновению неравномерных сил внутри плазмы, которые заставляют ионы и электроны отходить от центра. Был предложен ряд решений этой проблемы, в частности оригинальные пинч-машины. В них внутренняя сила пинч-тока была значительно более мощной, чем сила дрейфа, поэтому это не было проблемой. Другим решением стал стелларатор, который перемещал частицы так, чтобы они находились внутри и снаружи трубки, чтобы уравновесить дрейф.

В 1958 году Мейер и Шмидт из Гархинга предложили другое решение. Они отметили, что ключевым требованием для устойчивости тороида было то, чтобы общая длина пути внутри и снаружи кривой была одинаковой. Стелларатор обеспечил это, вращая частицы, добавляя вращательное преобразование . Мейер и Шмидт предложили сделать это, модифицировав магниты так, чтобы они создавали поле, которое больше не было однородным при движении вокруг тора; вместо этого поле задохнулось, а затем расширилось, образовав поле, мало чем отличающееся от куска сосисок. Поле было больше изогнуто внутрь на внутренней кривой, что сделало его длиннее, и, таким образом, общая длина пути внутри и снаружи была одинаковой.

Когда машины с тета-пинчем начали продвигаться в область, где концевые потери теперь были ограничением для дальнейших исследований, эта концепция, казалось, предлагала способ переместить тета-пинч в тороидальную компоновку, которая все еще достаточно отличалась от стелларатора, чтобы быть интересной. . Это решение не рассматривалось очень глубоко, учитывая простоту концепции стелларатора по сравнению с более сложной схемой магнитов, необходимой для гофрированной версии Мейера и Шмидта. Дальнейшее исследование выявило дополнительные нестабильности, но предсказанное отклонение от них было медленным и могло быть устранено с помощью динамической стабилизации.

Поскольку команда из Лос-Аламоса хотела иметь большую машину для обеспечения постоянного финансирования, они предложили большую тороидальную тету в качестве своего следующего устройства не только как более крупную экспериментальную систему, но и как потенциальную демонстрацию системы производства энергии. К 1965 году LANL предлагала такую ​​машину под названием Scylla V.

Стелларатор с высокой бета-версией

Амаса Стоун Бишоп недавно взял на себя управление термоядерным синтезом AEC от Артура Руарка и сформировал комиссию для рассмотрения предложения Сциллы V, в которую вошли члены тета-команд NRL и GE. Они пришли к выводу, что не существует убедительных доказательств того, что наблюдаемые потери энергии были вызваны конечными потерями, и выразили обеспокоенность по поводу эффективности динамической стабилизации, а также возможности того, что требуемые для этого изменяющиеся поля могут просто вызвать новую нестабильность. Комиссия настоятельно предложила построить еще одну линейную машину длиной 15 метров (49 футов) для проверки представленных концепций. Тем не менее, не имея других проектов, система была одобрена, но с условием, что она будет предназначена для исследования режима высоких бета, а не в качестве прототипа энергетического реактора. Это положило начало передаче управления общими целями программы Вашингтону.

Один из членов комиссии, Гарольд Град , был хорошо известен как эксперт по физике и стабильности плазмы. По возвращении в Нью-Йорк он начал читать все опубликованные материалы по концепции тета-пинча и пришел к выводу, что система динамической стабилизации, скорее всего, не будет работать и будет чрезвычайно сложной, даже если она будет работать. Вместо этого он предложил использовать спиральные магниты, подобные тем, которые добавляются в современные стеллараторы, поскольку они оказались естественно стабильными. Он назвал полученную систему «стелларатором с высоким бета-излучением», причем бета является мерой магнитной силы в плазме, которая была бы намного выше в пинчевом устройстве.

Лос-Аламос проявил чрезвычайную заинтересованность в работе Града и предложил ему полностью развить ее с целью представить на следующем совещании по исследованиям в области термоядерного синтеза, которое должно было состояться раз в три года в августе 1968 года в Новосибирске . По мере того, как команда продолжала работать, было обнаружено несколько новых и тревожных нестабильностей, и стало ясно, что спиральные магниты в конечном итоге оказались не более стабильными, чем первоначальная концепция Мейера-Шмидта. Пришлось добавить еще один набор динамического демпфирования. на этот раз тот, который должен был среагировать в течение характерного времени T .

Тета против токамака

Именно на встрече в Новосибирске советская делегация опубликовала новые результаты работы своих токамаков , демонстрировавшие значительные улучшения по сравнению со всеми предыдущими устройствами. Сначала результаты были отвергнуты как отсутствие надлежащего оборудования, и разгорелись яростные споры о том, надежны ли результаты.

Советы придумали убедительное решение, чтобы продемонстрировать, работает ли их конструкция. В 1960-е годы в Великобритании была разработана методика прямого измерения температуры частиц в плазме с помощью лазерной системы. Лев Арцимович предложил команде привезти свой прибор в Курчатовский институт и самостоятельно измерить производительность. Системе потребовались месяцы настройки и калибровки, но к началу лета 1969 года стало ясно, что токамак действительно работает так, как описано.

Это поставило США в неудобное положение, когда они отстали в термоядерной гонке. Поначалу лаборатории отказывались рассматривать возможность создания токамаков, приводя длинный список причин, почему они хуже. В мае 1969 года директор подразделения AEC по термоядерному синтезу Ташек написал Бишопу, в котором заявил, что, по его мнению, США должны ответить своими собственными устройствами, которые имеют наилучшие шансы продемонстрировать разумную производительность, и что «неизбежно, что это Scyllac и 2X! Они лучше». больше, чем все, что у нас есть в США». Все еще обеспокоенный тем, что программа Scyllac пытается решить слишком много проблем одновременно, AEC повторила свое предложение сначала построить линейное устройство.

К концу октября 1969 года, когда результаты токамаков были обнародованы в следующем месяце, США начали свою собственную программу токамаков. Это поставило Scyllac перед необходимостью не только демонстрировать свои цели с точки зрения стабильности, но и конкурировать с этими машинами, которые уже продемонстрировали отличные характеристики. Это давало возможность того, что линейная версия может быстро возвращать результаты со значениями, конкурирующими со значениями токамака. Как выразился Ташек в середине 1970-х годов, «может быть, есть некоторая реальная тактическая и значимая ценность в том, чтобы отметить, что линейный тета-пинч… внесет значительный вклад в nτ- дерби, которое, похоже, не возникло в коротком временном масштабе. "

Силлак

Полноцикловый термоядерный реактор Scyllac во время строительства.

Несмотря на то, что казалось разумным сначала построить 15-метровую линейную версию, Рибе решил, что вместо этого будет лучше построить Syllac как можно быстрее. Для этого в феврале 1969 года он наметил план, согласно которому более короткое линейное устройство длиной 10 метров (33 фута) будет построено одновременно с сектором Сциллака под углом 120 градусов, который будет использоваться для изучения того, как построить машину как весь. К 1970 году он еще больше изменил эти планы, уменьшив длину линейного устройства до 5 метров (16 футов) с зеркалами по 2 метра (6 футов 7 дюймов) на обоих концах, чтобы сократить время удержания.

В 1972 году Роберт Л. Хирш взял на себя руководство программой термоядерного синтеза AEC от Бишопа. Поскольку недавние достижения в области производительности токамака указывали на возможность разработки производственного проекта, Хирш начал переоценку программы с точки зрения как производительности, так и экономики. Хотя токамак имел превосходные характеристики, зеркала, разрабатываемые в Ливерморе, были гораздо дешевле в изготовлении и эксплуатации, и эти два устройства стали центром его планов. Чтобы сохранить свою конструкцию в рабочем состоянии, Лос-Аламос решил быстро продвинуться вперед с тороидальной секцией, чтобы доказать, что их подход также достоин внимания.

Эксперименты в первом секторе начались в апреле 1971 года и продемонстрировали полную стабильность, что вызвало большой праздник в лаборатории. Следующим шагом было добавление системы стабилизации с обратной связью. К этому времени Кен Томассен из Массачусетского технологического института провел дополнительные расчеты, которые показали, что обратная связь не будет работать в радиусе текущей конструкции. В конце 1972 года Рибе решил решить эту проблему, увеличив диаметр Scyllac с 4,8 метров (16 футов) до 8 метров (26 футов), уменьшив кривизну и, следовательно, необходимый уровень обратной связи. Это уменьшило критический параметр T до 0,9 микросекунды — все, что ниже 1, будет работать.

Примерно в это же время Робин Гриббл, который отвечал за программу обратной связи, был назначен на другой проект в Лос-Аламосе. По мере развития программы два изменения в макете привели Т. к увеличению параметра Из-за отсутствия кого-либо, кто напрямую отвечал бы за обратную связь по программе, это осталось незамеченным. Эксперименты над Scylla IV и исходным сегментом закончились, поскольку вся команда сосредоточилась на новой увеличенной конструкции, поэтому дополнительных проблем обнаружено не было.

Syllac был открыт в апреле 1974 года. К октябрю стало ясно, что система обратной связи не работает. Именно в этот момент они пересчитали значение Т и обнаружили, что оно равно 1,5. Хуже того, дальнейшая работа над основной теорией показала, что значение 1 недостаточно, и требовались значения ближе к 0,5. Последним ударом стало то, что общая стабильность, наблюдавшаяся на первоначальном этапе 1971 года, оказалась иллюзорной; в более крупной машине было видно, что плазма медленно дрейфует. Система стабилизации едва могла остановить это, не говоря уже о исправлении более быстрых нестабильностей.

Линейные остановки

В результате провала проекта Scyllac у США осталась только собственная программа токамака с центром в Принстоне и зеркальная программа в Ливерморе. Лос-Аламос предпринял еще одно решение, чтобы спасти систему, повторно введя в эксплуатацию Сциллу IV с физическими стопорами на концах из легких металлов. Эта Scylla IV-P улучшила время удержания с 9 до 29 микросекунд, то есть в три раза. Но этого было недостаточно, чтобы попасть в миллисекундный диапазон, необходимый для производственного реактора. После двух десятилетий усилий лучшие результаты тета-программы оказались лишь незначительным улучшением по сравнению с результатами оригинальной серии Scylla.

FRC

Основная статья: конфигурация с обратным полем

В 1960-е годы несколько команд заметили, что их тета-эксперименты иногда показывают улучшение времени удержания. Это произошло, когда магнитное поле переконфигурировалось, когда внешний импульс релаксировал до нуля. В то время такое поведение обычно считалось нежелательным, хотя оно имело то преимущество, что вызывало повышение температуры ионов по мере складывания полей, и именно это действие повышало температуру до точки, где происходил синтез.

В 1972 году Джон Брайан Тейлор опубликовал серию статей на тему сохранения магнитного поля и изменения направления потока, которые были замечены на ZETA, но в то время не были оценены по достоинству. Это привело к появлению концепции перевернутого поля , которая получила развитие в 1970-х и 80-х годах. Тот же основной механизм вызывал изменение поля, наблюдаемое в тета-устройствах, но конечным результатом была другая схема.

В начале 1970-х годов Курчатовский институт продемонстрировал стабильное удержание в течение длительных периодов времени, уменьшив мощность пинча и добавив дополнительные магниты на конце линейной трубки для облегчения обращения поля. Публикация их работы над плазмой с обращенной конфигурацией поля (FRC) привела к тому, что эта тема вызвала значительный интерес, и появились новые усилия в США и Японии. Хотя технически это тета-пинчи из-за их устройства, эта концепция считается отдельной и отдельным подходом к термоядерной энергии.

Ссылки

Библиография

• Азимов, Исаак (1972). Миры внутри миров: История ядерной энергии, Том 3; Ядерное деление, ядерный синтез, за ​​пределами термоядерного синтеза . Комиссия по атомной энергии США. ОСТИ   1159657 .
• Епископ Амаса (1958). Проект Шервуд: Программа США по управляемому термоядерному синтезу . Аддисон-Уэсли.
• Клери, Дэниел (2014). Часть Солнца: В поисках термоядерной энергии . Абрамс. ISBN  9781468310412 .
• Так, Джеймс (1965). Обзор контролируемых термоядерных исследований в Лос-Аламосе (PDF) (Технический отчет).
• Документ о политике и действиях AEC в области контролируемых термоядерных исследований (PDF) (Технический отчет). Комиссия по атомной энергии США. Июнь 1966 года.
• Браамс, Корнелис; Стотт, Питер (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием (PDF) . Институт физического издательства. ISBN  0750307056 .
• Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс. ISBN  978-0-262-02180-7 .
• Дин, Стивен (2013). Найдите Абсолютный Источник Энергии . Спрингер. ISBN  9781461460374 .
• Герман, Робин (1990). Фьюжн: поиск бесконечной энергии . Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-38373-8 .
• Хинц, Э. (2004). Тета-Пинч — универсальный инструмент для создания и исследования высокотемпературной плазмы (PDF) . Первая Каирская конференция по физике плазмы и ее приложениям. Международная система ядерной информации . Том. 36, нет. 32.
• Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2005). Термоядерный синтез: энергия Вселенной . Эльзевир. ISBN  9780080492711 .
• Олифант, Маркус Лоуренс Элвин; Хартек, Пол; Резерфорд, Эрнест (1 мая 1934 г.). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом» . Труды Королевского общества . 144 (853): 692–703. Бибкод : 1934RSPSA.144..692O . дои : 10.1098/rspa.1934.0077 .
• Филлипс, Джеймс (зима – весна 1983 г.). «Магнитный синтез» (PDF) . Лос-Аламосская наука . стр. 64–67.
• Сейфе, Чарльз (2008). Солнце в бутылке . Пингвин. ISBN  9781101078990 .
• Томсон, Джордж (30 января 1958 г.). «Термоядерный синтез: задача и триумф» . Новый учёный . стр. 11–13.

Дальнейшее чтение

• Маккенна, КФ; Симон, Р.Э. (1985). «Исследование тета-пинча в Лос-Аламосе » Ядерный синтез . 25 (9). Издательство ИОП: 1267–1270. дои : 10.1088/0029-5515/25/9/045 . S2CID   122768497 .