Скипетр (термоядерный реактор)

Scepter представлял собой серию первых термоядерных устройств, основанных на Z-пинча концепции удержания плазмы , построенных в Великобритании, начиная с 1956 года. Это были последние версии серии устройств, берущих свою историю от оригинальных пинч-машин, построенных в Imperial. Лондонский колледж Казинса и Уэра в 1947 году. Когда в 1950 году работы по термоядерному синтезу в Великобритании были засекречены, команда Уэра была переведена в лаборатории Associated Electrical Industries (AEI) в Олдермастоне . Команда работала над проблемами, связанными с использованием металлических трубок с высоким напряжением, в поддержку усилий Харвелла . Когда машина Харвелла ZETA , очевидно, произвела термоядерный синтез, AEI быстро построила меньшую машину, Sceptre, чтобы проверить свои результаты. Скипетр также производил нейтроны, очевидно, подтверждая эксперимент ZETA. Позже выяснилось, что нейтроны были ложными, и работа над Z-пинчем в Великобритании завершилась в начале 1960-х годов.

История

Фон

Исследования термоядерного синтеза в Великобритании начались при скудном бюджете в Имперском колледже в 1946 году. Когда Джордж Пейджет Томсон не смог получить финансирование от Кокрофта Джона Исследовательского института атомной энергии (AERE), он передал проект двум студентам, Стэнли (Стэн) У. Казинс и Алан Альфред Уэр (1924–2010 гг.) ^[1]). Над концепцией начали работать в январе 1947 года. ^[2] используя стеклянную трубку и старые детали радара. Их небольшое экспериментальное устройство было способно генерировать короткие вспышки света, но природа света оставалась загадкой, поскольку они не смогли придумать метод измерения его температуры. ^[3]

К работе было проявлено мало интереса, хотя ее заметил Джим Так , интересовавшийся всем, что связано с термоядерным синтезом. Он познакомился с коллегой, увлеченным термоядерным синтезом Питером Тонеманном , и они вместе разработали похожую небольшую машину в Оксфордского университета лаборатории Кларендона . Так уехал в Чикагский университет еще до того, как устройство было построено. ^[4] Переехав в Лос-Аламос , Так представил там концепцию пинч и в конечном итоге построил Возможноатрон по тем же принципам.

В начале 1950 года Клаус Фукс признался в передаче СССР атомных секретов Великобритании и США. Поскольку термоядерные устройства будут генерировать большое количество нейтронов , которые можно будет использовать для обогащения ядерного топлива для атомных бомб , Великобритания немедленно засекретила все свои термоядерные работы. Исследование считалось достаточно важным, чтобы его можно было продолжить, но сохранить секретность в университетских условиях было сложно. Было принято решение переместить обе команды в безопасные места. Команда Imperial под руководством Уэра была создана в новых лабораториях Associated Electrical Industries (AEI) в Олдермастоне в ноябре. ^[2] а команда Оксфорда под руководством Тонеманна была переведена в UKAEA Harwell. ^[5]

К 1951 году действовало множество зажимных устройств; Казинс и Уэр построили несколько последующих машин, Так построил свой Возможнотрон, а другая команда в Лос-Аламосе построила линейную машину, известную как Колумб. Позже стало известно, что Фукс передал Советскому Союзу информацию о ранней работе Великобритании, и они также начали программу сокращения.

К 1952 году всем стало ясно, что с машинами что-то не так. При подаче тока плазма сначала сжималась, как и ожидалось, но затем развивалась серия «изгибов», приобретающих синусоидальную форму. Когда внешние части ударяются о стенки контейнера, небольшое количество материала откалывается в плазму, охлаждая ее и разрушая реакцию. Эта так называемая «изломная нестабильность» оказалась фундаментальной проблемой.

Практикум

В Олдермастоне Имперскую команду возглавил Томас Аллибоун . По сравнению с командой из Харвелла, команда из Олдермастона решила сосредоточиться на более быстрых системах зажима. Их источник питания состоял из большой батареи конденсаторов общей емкостью 66 000 Джоулей. ^[6] (при полном раскрытии) переключается искровыми разрядниками , которые могут сбрасывать накопленную мощность в систему на высоких скоростях. Устройства Харвелла использовали более медленные нарастающие пинч-токи, и для достижения тех же условий они должны были быть больше. ^[7]

Одним из первых предложений по решению проблемы нестабильности излома было использование в вакуумной камере металлических трубок с высокой проводимостью вместо стекла. Когда плазма приближалась к стенкам трубки, движущийся ток индуцировал магнитное поле в металле. Это поле, согласно закону Ленца , будет препятствовать движению плазмы к нему, замедляя или останавливая ее приближение к стенкам контейнера. Так назвал эту концепцию «приданием плазме основы».

Аллибоне, родом из Метрополитен-Викерс , работал над рентгеновскими трубками с металлическими стенками, в которых использовались небольшие фарфоровые вставки для электрической изоляции. Он предложил попробовать то же самое в экспериментах по термоядерному синтезу, что потенциально может привести к более высоким температурам, чем могут выдержать стеклянные трубки. Они начали с цельнофарфоровой трубки с большой осью 20 см и смогли индуцировать ток силой 30 кА в плазму, прежде чем она распалась. После этого они построили алюминиевую версию, разделенную на две части со вставками из слюды между ними. В этой версии возникло искрение между двумя половинками. ^[2]

Убежденные, что металлическая трубка — это путь вперед, команда начала длинную серию экспериментов с различными материалами и технологиями строительства, чтобы решить проблему искрения. К 1955 году они разработали многообещающий вариант с 64 сегментами и, используя конденсаторную батарею на 60 кДж, смогли индуцировать разряды силой 80 кА. ^[6] Хотя трубка была улучшением, она также страдала от той же нестабильности излома, и работа над этим подходом была прекращена. ^[8]

Чтобы лучше охарактеризовать проблему, команда начала строительство более крупного алюминиевого тора с диаметром отверстия 12 дюймов и диаметром 45 дюймов и вставила две прямые секции, чтобы растянуть его до формы гоночной трассы. В прямых секциях, известных как «перечница», было просверлено несколько отверстий, расположенных под углом так, что все они были направлены в одну фокусную точку на некотором расстоянии от аппарата. ^[6] Камера, расположенная в фокусе, смогла отобразить весь плазменный столб, что значительно улучшило понимание процесса нестабильности. ^[8]

Изучая этот вопрос, Шавранов, Тейлор и Розенблют разработали идею добавления к системе второго магнитного поля — стационарного тороидального поля, генерируемого магнитами, вращающимися вокруг вакуумной трубки. Второе поле заставит электроны и дейтроны в плазме вращаться вокруг силовых линий, уменьшая влияние небольших дефектов поля, создаваемого самим пинчем. Это вызвало значительный интерес как в США, так и в Великобритании. Компания Thomson, вооружившись возможностью создания работоспособного устройства и очевидным интересом со стороны США, добилась одобрения на создание очень большой машины ZETA.

Скипетр

В Олдермастоне, используя ту же информацию, команда Уэра подсчитала, что при 60 кДж, имеющихся в существующей конденсаторной батарее, они смогут достичь требуемых условий в кварцевой трубке с медным покрытием диаметром 2 дюйма и диаметром 10 дюймов или в цельнометаллической трубке. медная версия с диаметром отверстия 2 дюйма и диаметром 18 дюймов. Работа над обоими началась параллельно, как над Scepter I, так и над II. ^[8]

Однако еще до того, как любой из этих проектов был завершен, команда ZETA в Харвелле уже в августе 1957 года добилась стабильной плазмы. Команда из Олдермастона поспешила завершить свою более крупную фотографическую систему. Электрическая дуга и короткое замыкание между сегментами трубки стали проблемой, но команда уже поняла, что «сухой обжиг» аппарата в сотни раз уменьшит этот эффект. ^[9] После устранения дуги дальнейшие эксперименты продемонстрировали температуру около 1 миллиона градусов. ^[10] Система работала, как и ожидалось, создавая четкие изображения нестабильностей излома с помощью высокоскоростной фотографии и аргона, чтобы получить яркое изображение. ^[6]

Затем команда удалила прямые секции, добавила стабилизирующие магниты и переименовала машину в Scepter III. ^[6] В декабре они начали экспериментальные запуски, подобные тем, что были на ZETA. Измеряя спектральные линии кислорода, они рассчитали внутреннюю температуру от 2 до 3,5 миллионов градусов. Фотографии через боковую щель показали, что столб плазмы остается стабильным в течение 300–400 микросекунд, что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими попытками. Двигаясь назад, команда подсчитала, что удельное сопротивление плазмы примерно в 100 раз превышает удельное сопротивление меди, и она способна проводить ток силой 200 кА в течение 500 микросекунд в общей сложности. Когда ток превышал 70 кА, нейтронов наблюдалось примерно в том же количестве, что и ZETA. ^[10]

Как и в случае с ZETA, вскоре выяснилось, что нейтроны производятся ложным источником, а температура обусловлена турбулентностью в плазме, а не средней температурой. ^[11]

Скипетр IV

Когда в 1958 году разразился провал ZETA, надеялись, что решения проблем, наблюдаемых в ZETA и Scepter IIIA, будут простыми: лучшая трубка, более высокий вакуум и более плотная плазма. Поскольку машина Scepter была намного дешевле и уже существовала батарея конденсаторов большой мощности, было принято решение проверить эти концепции с помощью нового устройства Scepter IV. ^[12]

Однако ни один из этих методов не помог. У Scepter IV были те же проблемы с производительностью, что и у более ранних машин. ^[12] Scepter IV оказался последним крупным «классическим» пинч-устройством, построенным в Великобритании.

Примечания

^ "UTPhysicsHistorySite" . Архивировано из оригинала 29 мая 2022 г. Проверено 29 мая 2022 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Аллибоне, с. 17
^ Герман, с. 40
^ Герман, с. 41
^ Томсон, с. 12
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Обзор, с. 170
^ Тонеманн, с. 34
^ Jump up to: ^а ^б ^с Аллибоне, с. 18
^ Обзор, с. 174
^ Jump up to: ^а ^б Аллибоне, с. 19
↑ Томас Эдвард Аллибоун, «Руководство по экспериментам Зетов» , New Scientist , 18 июня 1959 г., стр. 1360
^ Jump up to: ^а ^б Аллен, Нидерланды; Бальфур, Д; Клок, ВК; Грин, Луизиана; Хеммингс, РФ; Хьюз, Т.П.; Хант, ЮВ; Джордан, Б; и др. (1962). «Скипетр IV тороидальный разряд». Журнал ядерной энергии C. 4 (6): 375. Бибкод : 1962JNuE....4..375A . дои : 10.1088/0368-3281/4/6/301 .