ZETA (термоядерный реактор) - ZETA (fusion reactor)

Эта статья про термоядерное устройство. Для использования в других целях см. Зета (значения).

Устройство ZETA в Харвелле, Великобритания. Тороидальная удерживающая трубка примерно отцентрирована. Более крупное устройство справа, окружающее трубку, - это магнит, используемый для индукции тока пинча.

ZETA, сокращенно от «Термоядерная сборка с нулевой энергией», был крупным экспериментом в ранней истории термоядерная энергия исследование. На основе ущипнуть плазма лишения свободы, и построен на Научно-исследовательский центр по атомной энергии в Соединенном Королевстве ZETA была крупнее и мощнее любой термоядерной машины в мире того времени. Его цель состояла в том, чтобы произвести большое количество реакций синтеза, хотя его было недостаточно для производства чистой энергии.

ZETA вступила в строй в августе 1957 г. и к концу месяца испустила около миллиона импульсов. нейтроны за импульс. Измерения показали, что топливо достигало от 1 до 5 миллионов кельвины, температура, при которой термоядерная реакция реакции, объясняющие количество наблюдаемых нейтронов. Первые результаты просочились в прессу в сентябре 1957 года, а в январе следующего года был выпущен обширный обзор. В статьях на первых полосах газет по всему миру было объявлено, что это прорыв к безграничной энергии, научный прорыв для Британии, больший, чем недавно начатый Спутник был для Советский союз.

Американские и советские эксперименты также дали аналогичные нейтронные вспышки при температурах, недостаточно высоких для синтеза. Это привело Лайман Спитцер чтобы выразить свой скептицизм по поводу результатов, но его комментарии были отклонены британскими наблюдателями как ура-патриотизм. Дальнейшие эксперименты на ZETA показали, что первоначальные измерения температуры вводили в заблуждение; температура в объеме была слишком низкой, чтобы реакции синтеза могли создать такое количество нейтронов, которое можно было увидеть. Утверждение о том, что ZETA произвела синтез, пришлось публично отозвать, и это неловкое событие, охватившее весь фьюжн-истеблишмент. Позже было объяснено, что нейтроны являются продуктом нестабильности топлива. Эта нестабильность, казалось, присуща любой подобной конструкции, и работа над базовой концепцией пинча как пути к термоядерной энергии закончилась к 1961 году.

Несмотря на то, что ZETA не смогла осуществить синтез, устройство продолжило экспериментальную жизнь и дало множество важных достижений в этой области. В одном из направлений развития использование лазеры для более точного измерения температуры была испытана на ZETA, а позже использовалась для подтверждения результатов советских токамак подход. В другом случае, при изучении тестовых прогонов ZETA, было замечено, что плазма самостабилизировалась после отключения питания. Это привело к современному пинч с перевернутым полем концепция. В более общем плане исследования нестабильностей в ZETA привели к нескольким важным теоретическим достижениям, которые составляют основу современной теории плазмы.

Концептуальная разработка

Базовое понимание термоядерная реакция был разработан в 1920-х годах, когда физики исследовали новую науку о квантовая механика. Георгий Гамов исследование 1928 г. квантовое туннелирование продемонстрировали, что ядерные реакции могут происходить при более низких энергиях, чем предсказывала классическая теория. Используя эту теорию, в 1929 г. Фриц Хоутерманс и Роберт Аткинсон продемонстрировали, что ожидаемая скорость реакции в ядре Солнца поддерживает Артур Эддингтон предположение 1920 г., что солнце питание от Fusion.[1][2]

В 1934 г. Марк Олифант, Пол Хартек и Эрнест Резерфорд были первыми, кто осуществил синтез на Земле, используя ускоритель частиц выстрелить дейтерий ядра в металлическую фольгу, содержащую дейтерий, литий или другие элементы.[3] Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза, и определили, что дейтерий-дейтериевая реакция протекает при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая максимума около 100000электронвольт (100 кэВ).[4]

Эта энергия соответствует средней энергии частиц в газе, нагретом до тысяч миллионов кельвинов. Материалы, нагретые до нескольких десятков тысяч кельвинов, распадаются на свои электроны и ядра, производя газоподобный состояние дела известный как плазма. В любом газе частицы имеют широкий диапазон энергий, обычно следующих за Статистика Максвелла – Больцмана. В такой смеси небольшое количество частиц будет иметь гораздо более высокую энергию, чем основная масса.[5]

Это приводит к интересной возможности; даже при температурах значительно ниже 100 000 эВ некоторые частицы случайным образом будут иметь достаточно энергии, чтобы подвергнуться слиянию. Эти реакции высвобождают огромное количество энергии. Если эта энергия может быть захвачена обратно в плазму, она может нагревать и другие частицы до этой энергии, делая реакцию самоподдерживающейся. В 1944 г. Энрико Ферми подсчитано, что это произойдет при температуре около 50 000 000 К.[6][7]

Заключение

Современный индукционная лампа представляет собой низкотемпературный вариант тороидальной плазменной трубки. При таких температурах плазма может без вреда поражать стенки трубки; дальнейшее заключение не требуется.

Использование этой возможности требует, чтобы топливная плазма удерживалась вместе достаточно долго, чтобы эти случайные реакции успели произойти. Как и любой горячий газ, у плазмы есть внутренний давление и, таким образом, имеет тенденцию расширяться в соответствии с закон идеального газа.[5] Для термоядерного реактора проблема состоит в том, чтобы удерживать плазму против этого давления; любой известный физический контейнер расплавился бы при этих температурах.[8]

Плазма электропроводна и подвержена действию электрических и магнитных полей. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг силовых линий магнитного поля.[8][9][10] Простая система удержания - это заполненная плазмой трубка, помещенная внутри открытого ядра соленоид. Плазма, естественно, хочет расширяться наружу к стенкам трубки, а также двигаться вдоль нее к концам. Соленоид создает магнитное поле, бегущее по центру трубки, по которому частицы будут вращаться, предотвращая их движение в стороны. К сожалению, такое расположение не ограничивает плазму по длине трубки, и плазма может свободно вытекать из концов.[11]

Очевидное решение этой проблемы - согнуть трубку в тор (в форме кольца или пончика).[12] Движение в стороны остается ограниченным, как и раньше, и хотя частицы могут свободно перемещаться по линиям, в этом случае они просто будут циркулировать вокруг длинной оси трубки. Но, как заметил Ферми,[а] когда соленоид согнут в кольцо, электрические обмотки будут ближе друг к другу внутри, чем снаружи. Это приведет к неравномерному полю через трубу, и топливо будет медленно уноситься из центра. Требуется некоторая дополнительная сила, чтобы противодействовать этому смещению, обеспечивая длительное удержание.[14][15][16]

Концепция ущипнуть

Этот громоотвод был раздавлен, когда через него прошел большой ток. Изучение этого явления привело к открытию щепотка эффект.

Возможное решение проблемы конфайнмента было подробно описано в 1934 г. Уиллард Харрисон Беннетт.[17][18] Любой электрический ток создает магнитное поле, и из-за Сила Лоренца, это вызывает направленную внутрь силу. Впервые это было замечено в громоотводы.[19] Беннетт показал, что тот же самый эффект заставит ток «самофокусировать» плазму в тонкий столб. Вторая статья Леви Тонкс в 1937 г. рассмотрел вопрос еще раз, введя название "щепотка эффект ".[20][21] За ним последовала статья Тонкс и Уильям Аллис.[22]

Применение тока пинча в плазме можно использовать для противодействия расширению и ограничения плазмы.[15][23] Простой способ сделать это - поместить плазму в линейную трубку и пропустить через нее ток, используя электроды на обоих концах, как флюоресцентная лампа. Такое расположение по-прежнему не создает ограничения по длине трубки, поэтому плазма течет на электроды, быстро разрушая их. Это не проблема для чисто экспериментальной машины, и есть способы снизить скорость.[24] Другое решение - поставить рядом с трубкой магнит; когда магнитное поле изменяется, колебания вызывают электрический ток, индуцированный в плазме. Основное преимущество такой конструкции состоит в том, что внутри трубки нет физических объектов, поэтому она может быть сформирована в виде тора, позволяющего плазме свободно циркулировать.[8][25]

Концепция тороидального пинча как пути к синтезу была исследована в Великобритании в середине 1940-х годов, особенно Джордж Пэджет Томсон из Имперский колледж Лондон.[26] С образованием Научно-исследовательский центр по атомной энергии (AERE) в Харвелл, Оксфордшир В 1945 году Томсон неоднократно обращался к режиссеру, Джон Кокрофт, на средства на разработку опытной машины. Эти запросы были отклонены. В то время не было очевидного военного использования, поэтому концепция была оставлена несекретный. Это позволило Томсону и Моисей Блэкман подать патент на идею в 1946 году, описав устройство, использующее ток пинча, достаточный для ионизации и кратковременного удержания плазмы при нагревании микроволновая печь источник, который также будет постоянно управлять током.[27][28]

В качестве практического устройства существует дополнительное требование, чтобы условия реакции продолжались достаточно долго, чтобы сжечь разумное количество топлива. В первоначальной конструкции Томсона и Блэкмана задачей микроволнового излучения было заставить электроны поддерживать ток и создавать пинчи, которые длились порядка одной минуты, позволяя плазме достигать 500 миллионов К.[29] Ток в плазме также нагрел ее; если в качестве источника тепла также использовался ток, единственным ограничением нагрева была мощность импульса. Это привело к новой конструкции реактора, в которой система работала короткими, но очень мощными импульсами.[12] Такая машина потребовала бы очень большого источника энергии.[26]

Первые машины

В 1947 году Кокрофт организовал встречу нескольких физиков Харвелла для изучения последних концепций Томсона, в том числе директора Харвелла по теоретической физике, Клаус Фукс. Концепции Томсона были плохо восприняты, особенно Фуксом.[30] Когда эта презентация также не получила финансирования, Томсон передал свои концепции двум аспирантам Imperial, Стэну Казинсу и Алану Уэру. Он добавил отчет о типе тороидального ускорителя частиц, известном как «Wirbelrohr» («вихревая труба»), разработанном в Германии Макс Стенбек. Wirbelrohr состоял из трансформатор с вакуумной трубкой в ​​форме тора в качестве вторичной обмотки, аналогичной по концепции тороидальным зажимным устройствам.[26]

Позже в том же году Уэр построил небольшую машину из старого радарного оборудования и смог индуцировать мощные токи. Когда они это сделали, плазма испустила вспышки света, но он не смог придумать способ измерить температуру плазмы.[26] Томсон продолжал оказывать давление на правительство, чтобы разрешить ему построить полномасштабное устройство, используя его значительные политическая валюта выступить за создание специальной экспериментальной станции на Связанные электрические отрасли (AEI), недавно построенная в Aldermaston.[31]

Уэр обсудил эксперименты со всеми, кому было интересно, в том числе Джим Так из Лаборатория Кларендона в Оксфордский университет. Во время работы в Лос-Аламос во время войны Так и Станислав Улам построил неудачную систему термоядерного синтеза, используя кумулятивный заряд взрывчатку, но не сработало.[32] К Таку присоединился австралиец Питер Тонеманн, которые работали над теорией термоядерного синтеза, и эти двое через Кларендон организовали финансирование для создания небольшого устройства, подобного тому, что было в Imperial. Но до того, как эта работа началась, Таку предложили работу в США, и в конце концов он вернулся в Лос-Аламос.[33]

Тонеман продолжил работу над идеей и начал строгую программу по изучению основ физики плазмы в магнитном поле. Начиная с линейных трубок и Меркурий газа, он обнаружил, что ток имеет тенденцию расширяться наружу через плазму, пока не коснется стенок емкости (см. скин эффект ). Он противодействовал этому добавлением небольших электромагнитов снаружи трубки, которые отталкивали ток и удерживали его в центре. К 1949 году он перешел от стеклянных трубок к медному тору большего размера, в котором он смог продемонстрировать стабильную сжатую плазму. Фредерик Линдеманн и Кокрофт посетили и были должным образом впечатлены.[34]

Кокрофт спросил Герберт Скиннер пересмотреть концепции, что он и сделал в апреле 1948 года. Он скептически относился к идеям Томсона о создании тока в плазме и считал, что идеи Тонемана с большей вероятностью сработают. Он также указал, что поведение плазмы в магнитном поле изучено недостаточно, и что «бесполезно проводить дальнейшее планирование, пока это сомнение не разрешится».[31]

Тем временем в Лос-Аламосе Так ознакомил американских исследователей с усилиями Великобритании. В начале 1951 г. Лайман Спитцер представил свой стелларатор Концепция и покупал эту идею вокруг ядерного истеблишмента в поисках финансирования. Так скептически относился к энтузиазму Спитцера и считал его программу развития «невероятно амбициозной».[35] Он предложил гораздо менее агрессивную программу, основанную на зажиме. Оба мужчины представили свои идеи в Вашингтоне в мае 1951 года, в результате чего Комиссия по атомной энергии предоставив Спитцеру 50 000 долларов США.[35] Так убежден Норрис Брэдбери, директор Лос-Аламоса, чтобы выделить ему 50 000 долларов США из дискреционного бюджета, чтобы использовать их для строительства Возможно, Атрон.[15]

Первые результаты

Фотография кинк нестабильность в раннем эксперименте в Олдермастоне. Темный прямоугольник справа - это индукционный магнит.

В 1950 году Фукс признал, что передавал СССР атомные секреты Великобритании и США. Поскольку термоядерные устройства генерируют нейтроны высокой энергии, которые можно использовать для обогащения ядерного топлива для бомб, Великобритания немедленно засекретила все свои исследования в области термоядерного синтеза. Это означало, что команды больше не могли работать в открытой среде университетов.[36] Команда Imperial под руководством Уэра переехала в лаборатории AEI в Олдермастоне, а команда из Оксфорда под руководством Тонемана переехала в Харвелл.[8][b]

К началу 1952 года в эксплуатации были многочисленные пережимные устройства; Казинс и Уэр построили несколько последующих машин под названием Scepter,[37] и команда Харвелла построила серию все более крупных машин, известных от Mark I до Mark IV.[38][39] В США Так построил свой Возможно, Атрон в январе 1952 г.[40] Позже стало известно, что Фукс передал работы в Великобритании Советскому Союзу, и что они также начали программу термоядерного синтеза.[41]

Всем этим группам было ясно, что что-то серьезно не в порядке с машинами зажима. При подаче тока плазменный столб внутри вакуумной трубки становился нестабильным и разрушался, нарушая сжатие. Дальнейшая работа определила два типа нестабильности, получившие название «перегиб» и «колбаса».[42] При изгибе обычно тороидальная плазма изгибается в стороны, в конечном итоге касаясь краев сосуда. В колбасе плазма сворачивалась в местах вдоль столба плазмы, образуя узор, похожий на звено сосисок.[43]

Исследования показали, что оба они были вызваны одним и тем же основным механизмом. Когда был приложен ток пинча, любая область газа, которая имела немного более высокую плотность, создавала немного более сильное магнитное поле и схлопывалась быстрее, чем окружающий газ. Это привело к тому, что локализованная область имела более высокую плотность, что создало еще более сильное защемление, и последовала бы неконтролируемая реакция. Быстрое обрушение в одной области привело бы к распаду всей колонны.[43][c]

Стабилизированный зажим

Чтобы проверить базовую концепцию стабилизированного пинча, к более раннему Mark 2 Torus были добавлены дополнительные магниты, которые здесь показаны в виде проводов, намотанных вокруг вакуумной камеры.

Ранние исследования этого явления подсказали, что одним из решений проблемы было увеличение степени сжатия. При таком подходе сжатие будет начинаться и останавливаться так быстро, что основная масса плазмы не успевает двигаться; вместо этого ударная волна создаваемое таким быстрым сжатием будет отвечать за сжатие большей части плазмы.[45] Этот подход стал известен как быстро ущипнуть. Команда Лос-Аламоса, работающая над линейной машиной Колумбуса, разработала обновленную версию для проверки этой теории.[46]

Другие начали искать способы стабилизации плазмы во время сжатия, и к 1953 году на первый план вышли две концепции. Одним из решений было обернуть вакуумную трубку листом тонкого, но с высокой проводимостью металла. Если бы плазменный столб начал двигаться, ток в плазме индуцировал бы в пластине магнитное поле, которое из-за Закон Ленца, оттолкнет плазму. Это было наиболее эффективно против больших, медленных движений, таких как весь плазменный тор, дрейфующий внутри камеры.[47][48]

Во втором решении использовались дополнительные электромагниты, обернутые вокруг вакуумной трубки. Магнитные поля этих магнитов смешиваются с полем пинча, создаваемым током в плазме. В результате траектории частиц внутри плазменной трубки больше не были чисто круглыми вокруг тора, а закручивались, как полосы на парикмахерская.[13] В США эта концепция была известна как создание «основы» для плазмы, подавление мелкомасштабной локализованной нестабильности.[49] Расчеты показали, что это стабилизированный пинч значительно сократит время заключения, а старые концепции «внезапно стали устаревшими».[47]

Маршалл Розенблют, недавно прибывший в Лос-Аламос, начал подробное теоретическое изучение концепции пинча. Со своей женой Арианной и Ричард Гарвин он разработал «теорию двигателя», или «М-теорию», опубликованную в 1954 году. Теория предсказывала, что эффект нагрева электрическим током значительно увеличивается с увеличением мощности электрического поля. Это предполагало, что концепция быстрого пинча будет более успешной, поскольку в этих устройствах было легче создавать большие токи. Когда он включил идею стабилизирующих магнитов в теорию, появилось второе явление; для конкретного и узкого набора условий, основанных на физическом размере реактора, мощности стабилизирующих магнитов и количестве зажимов, тороидальные машины оказались естественно стабильными.[49]

ZETA начинает строительство

Елизавета II под руководством директора по исследованиям UKAEA Джон Кокрофт, посещает термоядерный реактор ZETA, пока он строится. Главный индукционный магнит доминирует в левой части изображения, тороидальная вакуумная камера еще не установлена.

Американские исследователи планировали протестировать как быстрое, так и стабилизированное зажимание, модифицировав свои существующие маломасштабные машины. В Великобритании Thomson снова потребовал финансирования для более крупной машины. На этот раз его приняли гораздо теплее, и в конце 1954 года было предоставлено первоначальное финансирование в размере 200 000 фунтов стерлингов.[39] Конструкторские работы продолжались в 1955 году, и в июле проект получил название ZETA.[50] Термин «нулевая энергия» уже широко использовался в промышленности для обозначения небольших исследовательские реакторы,[51] подобно ZEEP, который имел роль, аналогичную цели ZETA - производить реакции, не выделяя при этом полезной энергии.[52]

Дизайн ZETA был завершен в начале 1956 года. Метрополитен-Виккерс был нанят, чтобы построить машину, которая включала 150-тонный импульсный трансформатор, самый большой из построенных в Великобритании на тот момент. Серьезная проблема возникла, когда не хватало необходимых высокопрочных сталей, необходимых для электрических компонентов, но забастовка в электротехнической промышленности США вызвала внезапный избыток материала, решив проблему.[50]

ZETA была самым большим и мощным термоядерным устройством в мире на момент его создания.[53][d] Его алюминиевый тор имел внутреннее отверстие 1 метр (3 фута 3 дюйма) и большой радиус 1,6 метра (5 футов 3 дюйма), что в три раза превышало размер любой машины, построенной на сегодняшний день. Это была также самая мощная конструкция, включающая индукционный магнит, который был разработан для индукции в плазме токов до 100 000 ампер (ампер). Более поздние поправки к конструкции увеличили это значение до 200 000 ампер.[54] Он включал оба типа стабилизации; его алюминиевые стенки действовали как металлический экран, а ряд вторичных магнитов окружали тор.[52] Окна, размещенные в зазорах между тороидальными магнитами, позволяли непосредственно контролировать плазму.[8]

В июле 1954 года AERE была реорганизована в Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA). В том же году начались модификации ангара 7 Харвелла для размещения машины.[55] Несмотря на продвинутый дизайн, цена была скромной: около 1 миллиона долларов.[56][e] К концу 1956 года стало ясно, что ZETA выйдет в сеть в середине 1957 года, обойдя Модель C стелларатор и новейшие версии «Возможноатрона» и «Колумба». Поскольку эти проекты были секретными, на основании небольшой информации, доступной в прессе, пресса пришла к выводу, что они являются версиями одного и того же концептуального устройства, и что британцы далеко впереди в гонке по созданию работающей машины.[52]

Советский визит и стремление рассекретить

Хрущев (примерно посередине, лысый), Курчатов (справа, бородатый) и Булганин (справа, седой) посетили Харвелл 26 апреля 1956 года. Напротив них стоит Кокрофт (в очках), а ведущий указывает на макеты различных материалов проходят испытания во вновь открывшемся Реактор DIDO.

С 1953 года США все больше концентрировались на концепции быстрого зажима. Некоторые из этих машин производили нейтроны, и изначально они были связаны с термоядерным синтезом. Это вызвало столько энтузиазма, что несколько других исследователей также быстро занялись этой областью. Среди них был Стирлинг Колгейт, но его эксперименты быстро привели его к выводу, что слияния не происходит. В соответствии с Удельное сопротивление Спитцера, температуру плазмы можно было определить по току, протекающему через нее. Когда компания Colgate выполнила расчет, температуры в плазме были намного ниже требований для термоядерного синтеза.[57]

В этом случае нейтроны должны были возникнуть из-за какого-то другого эффекта. Дальнейшие исследования показали, что это было результатом нестабильности топлива. Локализованные области сильного магнитного поля действовали как ускорители крошечных частиц, вызывая реакции с выбросом нейтронов. Модификации, пытающиеся уменьшить эти нестабильности, не смогли улучшить ситуацию, и к 1956 году от концепции быстрого зажима в значительной степени отказались. Американские лаборатории начали обращать внимание на концепцию стабилизированного пинча, но к этому времени ZETA была почти завершена, а США сильно отставали.[47]

В 1956 году при планировании широко разрекламированного государственный визит к Никита Хрущев и Николай Булганин в Великобританию исследователи из Харвелла получили предложение от советского ученого. Игорь Курчатов выступить с докладом. Они были удивлены, когда он начал свой доклад о «возможности возникновения термоядерных реакций в газовом разряде».[58] Речь Курчатова рассказала о советских усилиях по созданию устройств быстрого зажима, подобных американским, и их проблемах с нестабильностью плазмы.[58][59] Курчатов отметил, что они также видели, как испускаются нейтроны, и изначально полагали, что они образовались в результате синтеза. Но когда они изучили числа, стало ясно, что плазма недостаточно горячая, и они пришли к выводу, что нейтроны были от других взаимодействий.[60]

Из речи Курчатова стало очевидно, что все три страны работают над одними и теми же основными концепциями и все сталкиваются с одними и теми же проблемами. Кокрофт пропустил визит Курчатова, потому что он уехал в США, чтобы настаивать на рассекречивании термоядерных работ, чтобы избежать дублирования усилий. По обе стороны Атлантики было широко распространено мнение, что обмен их открытиями значительно улучшит прогресс. Теперь, когда стало известно, что Советы находятся на одном и том же базовом уровне развития и что они заинтересованы в публичном обсуждении этого вопроса, США и Великобритания также начали рассматривать возможность публикации большей части своей информации. Это привело к более широким усилиям по выпуску всех исследований в области термоядерного синтеза во второй Мирный атом конференция в Женеве в сентябре 1958 г.[61]

В июне 1957 года Великобритания и США завершили свое соглашение о предоставлении друг другу данных незадолго до конференции, на которой и Великобритания, и США планировали присутствовать «в силе». Окончательные условия были достигнуты 27 ноября 1957 года, что позволило открыть проекты для взаимной проверки и потребовать широкой публикации всех данных в январе 1958 года.[62]

Многообещающие результаты

На рабочем месте оператора готовится «выстрел» с использованием дейтерия. Через окно видно реактор.

ZETA начала работу в середине августа 1957 года.[55] первоначально с водородом. Эти прогоны продемонстрировали, что ZETA не страдает от тех же проблем со стабильностью, которые видели более ранние пинчевые машины, и их плазма длилась миллисекунды, а не микросекунды, целых три. порядки величины улучшение.[63] Длина импульсов позволяла измерять температуру плазмы с помощью спектрографический средства; хотя излучаемый свет был широкополосным, Доплеровское смещение спектральных линий незначительных примесей в газе (в частности, кислорода) привели к расчетным температурам.[64]

Даже на ранних этапах экспериментов команда начала вводить в смесь газообразный дейтерий и увеличивать силу тока до 200 000 ампер. Вечером 30 августа машина произвела огромное количество нейтроны, порядка одного миллиона на экспериментальный импульс или «выстрел».[65] Последовала попытка дублировать результаты и исключить возможные ошибки измерения.[66]

Многое зависело от температуры плазмы; если бы температура была низкой, нейтроны не были бы связаны с синтезом. Спектрографические измерения показали, что температура плазмы составляет от 1 до 5 миллионов К; при этих температурах предсказанная скорость синтеза была в два раза меньше количества наблюдаемых нейтронов. Оказалось, что ZETA достигла долгожданной цели - произвести небольшое количество термоядерных реакций, для чего и была предназначена.[56]

Усилия США потерпели ряд мелких технических неудач, из-за которых их эксперименты были отложены примерно на год; и новый «Возможноатрон S-3», и «Коламбус II» начали работать примерно в то же время, что и ZETA, несмотря на то, что это были гораздо меньшие эксперименты. Тем не менее, когда эти эксперименты начались в середине 1957 года, они тоже начали генерировать нейтроны.[67] К сентябрю обе эти машины и новый дизайн DCX на Национальная лаборатория Окриджа, оказался настолько многообещающим, что Эдвард Гарднер сообщил, что:

… Существует явная вероятность, что либо установка в Ок-Ридже, либо в Лос-Аламосе подтвердит к январю 1958 года производство термоядерных нейтронов.[67]

Политика престижа

ZETA, вид сверху в конце 1957 г.

Новости были слишком хороши, чтобы их замалчивать. Дразнящие утечки начали появляться в сентябре. В октябре Тонеманн, Кокрофт и Уильям П. Томпсон намекнули, что будут получены интересные результаты. В ноябре представитель UKAEA отметил, что «есть признаки того, что синтез был достигнут».[56] Основываясь на этих намеках, Financial Times посвятил этому вопросу целую статью в две колонки. С того времени и до начала 1958 года британская пресса публиковала в среднем две статьи о ZETA в неделю.[52] Даже американские газеты подхватили эту историю; 17 ноября Нью-Йорк Таймс сообщил о намеках на успех.[68]

Хотя британцы и США согласились опубликовать свои данные полностью, на данный момент генеральный директор американской программы, Льюис Штраус, решил приостановить выпуск.[62] Так утверждал, что эта область выглядела настолько многообещающей, что было бы преждевременно публиковать какие-либо данные до того, как исследователи узнают, что синтез действительно имеет место.[47] Штраус согласился и объявил, что они не будут предоставлять свои данные на время, чтобы проверить свои результаты.[62]

По мере того, как об этом стало больше известно в прессе, 26 ноября вопрос публикации был поднят в палата общин. Отвечая на вопрос оппозиции, лидер палаты публично объявил результаты, объяснив задержку публикации из-за соглашения между Великобританией и США.[68] Британская пресса интерпретировала это иначе,[52] утверждая, что США медлили из-за того, что не смогли повторить британские результаты.[69]

Обстановка достигла апогея 12 декабря, когда бывший член парламента, Энтони Наттинг, написал New York Herald Tribune статья, утверждающая:

Некоторые люди мрачно предположили, что настоящая причина нежелания американцев публиковать эти важные новости - это политика. Они указывают на потерю престижа, которую понесла бы администрация, если бы ей пришлось признать, что Великобритания, как и Россия, опережала Америку в научном развитии. Я предпочитаю верить, что такое отношение проистекает из рабского и ошибочного применения безопасности. Но какой бы ни была причина, это свидетельствует о прискорбном неправильном представлении Вашингтона об истинном значении западного партнерства и реальной природе советской угрозы.[70]

Статья вызвала всплеск активности в Администрация Macmillan. Изначально планировав опубликовать свои результаты на запланированном заседании Королевское общество, было большое беспокойство по поводу того, приглашать ли американцев и Советы, особенно потому, что они считали, что американцы будут сильно расстроены, если советские приедут, но так же расстроены, если их не пригласят и мероприятие будет полностью британским.[71] Дело в конечном итоге привело к тому, что UKAEA сделало публичное заявление о том, что США не сдерживают результатов ZETA.[72] но это привело в ярость местную прессу, которая продолжала утверждать, что США откладывают, чтобы позволить им наверстать упущенное.[56][f]

Ранние проблемы

Крупным планом реактор ZETA во время технического обслуживания. Основная тороидальная вакуумная камера находится внизу слева, намотана токоведущими кабелями стабилизирующих магнитов. Более крупное устройство справа - это основной индукционный магнит, который создавал ток пинча в плазме.

Когда в ноябре было подписано соглашение об обмене информацией, было реализовано еще одно преимущество: командам из различных лабораторий было разрешено посещать друг друга. Команда США, в том числе Стирлинг Колгейт, Лайман Спитцер, Джим Так и Артур Эдвард Руарк, все посетили ZETA и пришли к выводу, что существует «большая вероятность» нейтронов от термоядерного синтеза.[62]

По возвращении в США Спитцер подсчитал, что с результатами ZETA что-то не так. Он заметил, что видимая температура в 5 миллионов К не успевает развиться за короткое время обжига. ZETA не разгрузил плазму достаточно энергии, чтобы так быстро нагреть ее до этих температур. Если бы температура повышалась относительно медленными темпами, как предполагали его расчеты, синтез не происходил бы на ранней стадии реакции и не мог бы добавлять энергию, которая могла бы компенсировать разницу. Спитцер подозревал, что показания температуры были неточными. Поскольку показания температуры свидетельствовали о том, что нейтроны были от термоядерного синтеза, если температура была ниже, это означало, что нейтроны не были термоядерными по происхождению.[73]

Компания Colgate пришла к аналогичным выводам. В начале 1958 года он, Гарольд Фурт и Джон Фергюсон начал обширное исследование результатов всех известных щипковых машин. Вместо того, чтобы определять температуру из энергии нейтронов, они использовали проводимость самой плазмы на основе хорошо понятных соотношений между температура и проводимость. Они пришли к выводу, что машины производили температуру, возможно,1⁄10 то, что предлагали нейтроны, далеко не достаточно горячие, чтобы объяснить количество производимых нейтронов, независимо от их энергии.[73]

К этому времени последние версии американских пинч-устройств, «Возможноатрон С-3» и «Колумбус С-4», производили собственные нейтроны. Мир исследований термоядерного синтеза достиг апогея. В январе результаты пинч-экспериментов в США и Великобритании объявили, что нейтроны высвобождаются и что синтез, очевидно, был достигнут. Опасения Спитцера и Колгейта были проигнорированы.[73]

Публичный релиз, интерес во всем мире

Группа репортеров задает Кокрофту (в центре) вопросы о ZETA. Именно во время этого интервью Кокрофт высказал свою оценку, согласно которой он на 90% уверен, что нейтроны, видимые из устройства, были вызваны термоядерным синтезом.
Bas Pease (в центре) и Боб Каррутерс (справа) дают интервью BBC перед реактором ZETA.
Релиз ZETA был на первых полосах новостей по всему миру.

О давно запланированном выпуске данных о синтезе было объявлено общественности в середине января. Значительный материал от британских ZETA и Скипетр устройств был выпущен в выпуске 25 января 1958 г. Природа, который также включает результаты Лос-Аламоса «Возможноатрон S-3», «Колумб II» и «Колумбус S-2». Британская пресса была в ярости. Наблюдатель писал, что «тактика адмирала Штрауса испортила то, что должно было быть захватывающим заявлением о научном прогрессе, так что оно превратилось в отвратительный эпизод престижной политики».[56]

Результаты были типичными для обычно трезвого научного языка, и, хотя нейтроны были отмечены, не было никаких серьезных заявлений об их источнике.[46] За день до релиза Кокрофт, генеральный директор Harwell, позвонил пресс-конференция познакомить британскую прессу с результатами. Некоторое указание на важность события можно увидеть при наличии BBC телевизионная съемочная группа, редкость в то время.[74] Он начал с представления программы термоядерного синтеза и установки ZETA, а затем отметил:

Во всех экспериментах по тороидальным разрядам нейтроны наблюдались в количестве, примерно равном ожидаемому, если бы термоядерные реакции протекали. Однако из предыдущих экспериментов, проведенных в российских и других лабораториях, хорошо известно, что нестабильности в канале тока могут вызывать сильные электрические поля, которые ускоряют дейтроны и могут производить нейтроны. Так что ни в коем случае нейтроны не были точно доказано происходить из-за случайного движения дейтерия, связанного с температурой порядка пяти миллионов градусов ... Их происхождение, однако, станет ясным, как только количество произведенных нейтронов может быть увеличено за счет увеличения тока и температуры.

— Джон Кокрофт, 24 января 1958 г.[75]

Репортеры на встрече не были удовлетворены этой оценкой и продолжали давить на Кокрофта по нейтронной проблеме. После того, как его спросили несколько раз, он в конце концов заявил, что, по его мнению, он «на 90 процентов уверен», что они от слияния.[75] Это было неразумно; Мнение лауреата Нобелевской премии было воспринято как констатация факта.[74] На следующий день в воскресных газетах появились новости о том, что синтез был осуществлен в ZETA, часто с заявлениями о том, что Великобритания сейчас далеко впереди в исследованиях термоядерного синтеза. Кокрофт далее раскрутил результаты по телевидению после публикации, заявив: «Для Великобритании это открытие больше, чем российский спутник».[76][77]

Как и планировалось, США также опубликовали большую серию результатов своих небольших пережимающих машин. Многие из них также испускали нейтроны, хотя ZETA стабилизировалась на гораздо более длительные периоды времени и генерировала больше нейтронов примерно в 1000 раз.[78] Отвечая на вопрос об успехе в Великобритании, Штраус отрицал, что США отстают в гонке фьюжн. Сообщая о теме, Нью-Йорк Таймс предпочел сосредоточиться на Колумбусе II Лос-Аламоса, упомянув ЗЕТА только позже в статье, а затем пришел к выводу, что эти две страны были «шею и шею».[79] В других отчетах из США обе программы были поддержаны в равной степени.[80] Газеты из остального мира были более благосклонны к Великобритании; Радио Москва зашел так далеко, чтобы публично поздравить Великобританию, не упомянув при этом результаты США.[56]

Поскольку ZETA продолжала приносить положительные результаты, были составлены планы по созданию новой машины. Новый дизайн был анонсирован в мае; ZETA II будет значительно более крупной машиной стоимостью 14 миллионов долларов США, чьей явной целью будет достижение 100 миллионов K и выработка чистой энергии.[56] Это объявление вызвало одобрение даже в США; Нью-Йорк Таймс пробежал рассказ о новой версии.[81] Машины, подобные ZETA, анонсировались по всему миру; Осакский университет объявили, что их пинч-машина была даже более успешной, чем ZETA, команда Aldermaston объявила о положительных результатах своей машины Scepter, стоимостью всего 28000 долларов США, и был построен новый реактор. Уппсальский университет который был представлен публично позже в том же году.[53] Ефремовский институт в г. Ленинград приступили к созданию уменьшенной версии ZETA, но все же большей, чем у большинства, известной как Alpha.[82]

Дальнейший скептицизм, отказ от претензий

Спитцер уже пришел к выводу, что известная теория предполагает, что температура ZETA и близко не соответствует заявленным температурам, и во время огласки, окружающей публикацию работы, он предположил, что «может быть задействован какой-то неизвестный механизм».[79] Другие исследователи в США, в частности Фурт и Колгейт, были гораздо более критичны, говоря всем, кто их слушал, что результаты - вздор.[79] В Советском Союзе Лев Арцимович поспешил получить Природа статью перевел, и прочитав ее, объявил "Чуш собачий!" (бред сивой кобылы).[83]

Кокрофт заявил, что они получают слишком мало нейтронов от устройства, чтобы измерить их спектр или направление.[75] Неспособность сделать это означало, что они не могли исключить возможность того, что нейтроны высвобождались из-за электрических эффектов в плазме, типа реакций, на которые Курчатов указал ранее. Такие измерения было бы легко сделать.[84]

В том же переоборудованном ангаре, где размещалась ZETA, находился Синхроциклотрон Харвелла усилия под руководством Бэзила Роуза. В этом проекте была построена чувствительная диффузия высокого давления. камера тумана в качестве основного детектора циклотрона. Роуз был убежден, что сможет напрямую измерить энергии и траектории нейтронов. В серии экспериментов он показал, что нейтроны обладают высокой направленностью, что противоречит термоядерному происхождению, которое, как ожидается, будет направлено случайным образом. Чтобы еще раз продемонстрировать это, он заставил машину работать «назад», при этом электрический ток шел в противоположном направлении. Это продемонстрировало явную разницу в количестве нейтронов и их энергии, что позволило предположить, что они были результатом самого электрического тока, а не реакций синтеза внутри плазмы.[84][85][86]

За этим последовали аналогичные эксперименты на Возможноатроне и Колумбе, продемонстрировавшие те же проблемы.[84] Проблема заключалась в новой форме нестабильности, «микронеустойчивости» или МГД-неустойчивости, которая вызывалась волновыми сигналами в плазме.[87] Они были предсказаны, но в то время как излом был в масштабе всей плазмы и его можно было легко увидеть на фотографиях, эти микронестабильности были слишком малы и быстро перемещались, чтобы их можно было легко обнаружить, и их просто не замечали раньше. Но, как и в случае излома, когда развивались эти нестабильности, развивались области с огромным электрическим потенциалом, быстро ускоряющие протоны в этой области. Иногда они сталкивались с нейтронами в плазме или стенках контейнера, выбрасывая их через нейтронный откол.[88] Это тот же физический процесс, который создавал нейтроны в более ранних проектах, проблема, о которой Кокрофт упоминал во время пресс-релизов, но их основную причину было труднее увидеть, а в ZETA они были гораздо более мощными. Обещание стабилизации пинча исчезло.[84]

Кокрофт был вынужден опубликовать унизительное опровержение 16 мая 1958 года, в котором утверждалось, что «он выполняет именно ту работу, на которую мы рассчитывали, и работает именно так, как мы надеялись».[89] Le Monde поднял этот вопрос на заголовок первой полосы в июне, отметив: «Вопреки тому, что было объявлено шесть месяцев назад в Харвелле, - британские эксперты подтверждают, что термоядерная энергия не была« приручена »'".[90] Событие охладило все поле; не только британцы выглядели глупо, но и все остальные страны, участвовавшие в исследованиях в области термоядерного синтеза, поспешили поддержать эту идею.[90]

Харвелл в смятении, солдаты ЗЕТА

Начиная с 1955 г.,[91] Кокрофт настаивал на создании новой площадки для строительства нескольких прототипов энергетических реакторов деления. Против этого категорически возражали Кристофер Хинтон, и в UKAEA разгорелись яростные дебаты по этому поводу.[грамм] Кокрофт в конце концов выиграл дебаты, и в конце 1958 года UKAEA сформировала AEE Winfrith в Дорсет, где со временем было построено несколько экспериментальных проектов реакторов.[93]

Кокрофт также настаивал на размещении реактора ZETA II на новом месте. Он утверждал, что Уинфрит больше подходит для строительства большого реактора, а неклассифицированный участок лучше подходит для теперь несекретных исследований. Это привело к тому, что было описано как «настолько близкое к восстанию, которое ученые-индивидуалисты в Харвелле могли возвысить».[94] Тонеманн дал понять, что не заинтересован в переезде в Дорсет, и предположил, что несколько других высокопоставленных членов также уйдут, а не переедут. Затем он ушел в творческий отпуск Университет Принстона в течение года. Все это дело было серьезной нагрузкой на Василий Шенланд, который возглавил исследовательское подразделение, когда Кокрофт ушел в октябре 1959 года, чтобы стать мастером недавно сформированной Черчилль-колледж, Кембридж.[95]

Пока это происходило, первоначальное предложение ZETA II становилось все шире, в конечном итоге определяя токи столь же мощные, как Совместный европейский тор который был построен много лет спустя.[95] Как казалось, это было за гранью современного состояния,[96] в конце концов проект был отменен в феврале 1959 года.[97] Вскоре его место заняло новое предложение: Эксперимент по промежуточному току стабильности (ICSE).[82][98] ICSE был разработан, чтобы использовать преимущества дополнительных стабилизирующих эффектов, замеченных в M-теории, которая предполагает, что очень быстрые пинчи будут вызывать протекание тока только во внешнем слое плазмы, который должен быть намного более стабильным. Со временем эта машина выросла примерно до того же размера, что и ZETA; ICSE имел большой диаметр 6 м и меньший диаметр 1 м, питался от батареи конденсаторов емкостью 10 МДж при 100 кВ.[98]

Харвелл не подходил для ICSE так же, как и для ZETA II, поэтому Шенланд обратился к правительству с идеей нового участка для исследований термоядерного синтеза, расположенного недалеко от Харвелла. Он был удивлен, обнаружив, что они были довольны этой идеей, поскольку это ограничило бы занятость в Харвелле, чей список заработной платы становился слишком сложным для управления. Дальнейшее исследование показало, что стоимость строительства нового участка будет компенсирована экономией на содержании участка рядом с Харвеллом; если бы ICSE был построен в Winfrith, транспортные расходы между объектами были бы значительными. В мае 1959 года UKAEA приобрела RNAS Culham, примерно в 10 милях (16 км) от Харвелла.[93] Строительство ICSE началось позже в том же году, начавшись со здания площадью один акр, известного как «D-1».[98]

Между тем, работа над ZETA продолжалась, чтобы лучше понять, что вызывает новые формы нестабильности. Новые диагностические методы показали, что энергии электронов были очень низкими, порядка 10 эВ (приблизительно 100 000 К), в то время как температуры ионов были несколько выше и составляли 100 эВ. Оба они указали на быструю потерю энергии в плазме, что, в свою очередь, указывало на то, что топливо было турбулентным и выходило из ограниченного пространства, ударяясь о стенки камеры, где оно быстро охлаждалось. Полная презентация результатов была сделана на Зальцбургской конференции в 1961 году, где советская делегация представила очень похожие результаты на своем ZETA-клоне Alpha.[82]

Источник этой турбулентности не был четко идентифицирован в то время, но команда предположила, что это связано с резистивными режимами, управляемыми током; если бы не использовалось упрощающее предположение об отсутствии макроскопического сопротивления плазмы, естественно возникли бы новые неустойчивости. Когда новый глава UKAEA, Уильям Пенни Услышав, что конструкция ICSE также была основана на предположении об отсутствии сопротивления, он отменил проект в августе 1960 года.[99] Детали для частично смонтированного реактора были изъяты другими бригадами.[100]

К этому моменту Тонеманн вернулся и обнаружил, с чем не согласен на ICSE. Он потребовал, чтобы ему разрешили создать новую группу, которая останется в Харвелле на ZETA.[101] Некоторое время ZETA оставалась самой большой тороидальной машиной в мире,[82] и продолжал плодотворную карьеру чуть более десяти лет, но, несмотря на свои более поздние успехи, ZETA всегда считалась примером британской глупости.[90][102]

Томсоновское рассеяние и токамаки

Майк Форрест управляет лазером ручной сборки, который является частью системы рассеяния Томсона, используемой для измерения температуры в ZETA. Это стало основным диагностическим методом в области термоядерного синтеза, используемым по сей день.

Неудача ZETA произошла из-за ограниченности информации; Используя наилучшие доступные измерения, ZETA вернул несколько сигналов, свидетельствующих о том, что нейтроны образовались в результате синтеза. Первоначальные измерения температуры были сделаны путем изучения доплеровского смещения спектральных линий атомов в плазме.[64] Неточность измерений и ложные результаты, вызванные ударами электронов о контейнер, привели к ошибочным измерениям, основанным на примесях, а не на самой плазме. В течение следующего десятилетия ZETA постоянно использовалась для разработки более совершенных диагностических инструментов для решения этих проблем.[103]

В результате этой работы был разработан метод, который используется по сей день. Вступление к лазеры предоставил новое решение благодаря британскому открытию, известному как Томсоновское рассеяние. Лазеры имеют чрезвычайно точную и стабильную регулировку частоты, а излучаемый ими свет сильно взаимодействует со свободными электронами. Лазер, светящий в плазму, будет отражаться от электронов, и во время этого процесса будет доплеровский сдвиг за счет движения электронов. Скорость электронов зависит от их температуры, поэтому, сравнивая частоту до и после столкновения, температура электронов может быть измерена с чрезвычайно высокой степенью точности.[104] «Переворачивая» систему, можно было напрямую измерить температуру ионов.[105]

На протяжении 1960-х ZETA была не единственным экспериментом, который столкнулся с неожиданными проблемами производительности. Проблемы с диффузией плазмы поперек магнитных полей преследовали как магнитное зеркало и стеллараторные программы со скоростью, которую классическая теория не могла объяснить.[106] Добавление дополнительных полей не помогло исправить проблемы ни в одном из существующих дизайнов. Работа резко замедлилась, поскольку команды по всему миру пытались лучше понять физику плазмы в своих устройствах. Пфирш и Шлютер были первыми, кто добился значительного прогресса, предположив, что для решения этих проблем потребуются гораздо более крупные и мощные машины.[107] Пессимизм укоренился во всем поле.[108]

В 1968 г. в г. Новосибирск, где, ко всеобщему удивлению, советские ведущие представили свои работы на своих токамак конструкции, показатели производительности которых ни в одном другом эксперименте даже близко не совпадали.[109] Последний из их проектов, Т-3, вырабатывал энергию электронов в 1000эВ, по сравнению с примерно 10 эВ в ZETA.[82][110] Это соответствовало температуре плазмы около 10 миллионов К.[104] Хотя советская группа пользовалась большим уважением, результаты были настолько хорошими, что возникли серьезные опасения, что их косвенные измерения температуры могут быть ненадежными, и они стали жертвой проблемы измерения, подобной той, которая произошла с ZETA.[108] Спитцер в очередной раз выразил свой скептицизм довольно сильно, что вызвало ожесточенные споры с Арцимовичем.[111][112]

Советы были в равной степени обеспокоены этим, и хотя это был верх Холодная война, Арцимович предложил UKAEA привезти свою лазерную систему на Курчатовский институт и самостоятельно измерить производительность.[113] Арцимович ранее называл их систему «блестящей».[114] Команда стала известна как «Калхэмская пятерка»,[104] выполнив серию измерений в конце 1968 - начале 1969 года. Результирующая статья была опубликована в ноябре 1969 года.[115] и убедил исследователей термоядерного синтеза в том, что токамак действительно достиг уровня производительности, заявленного Советским Союзом. Результатом стала «настоящая давка» строительства токамаков по всему миру.[87] и он остается наиболее изученным устройством в области термоядерного синтеза.[13]

Токамаки - это тороидальные пережимные машины. Ключевое отличие - относительная сила полей.[110] В стабилизированных пинчевых машинах большая часть магнитного поля в плазме создается индуцированным в ней током. Напряженность полей внешней стабилизации была намного меньше и проникала только во внешние слои плазменной массы. Токамак изменил это положение; внешние магниты были намного мощнее, а ток плазмы значительно уменьшился по сравнению с ними. Арцимович выразился так:

Напряженность продольного поля должна быть во много раз больше, чем напряженность азимутального поля, создаваемого током. В этом заключается принципиальное отличие устройств токамак от систем с относительно слабыми продольными полями, таких как хорошо известное устройство English Zeta.[87]

Сегодня это различие является частью общей концепции, известной как коэффициент безопасности, обозначаемый q. Оно должно быть больше единицы для сохранения стабильности во время разряда; в ZETA речь шла о1⁄3. Машина типа ZETA может достичь этого q, но потребует чрезвычайно мощных внешних магнитов, чтобы соответствовать столь же большим полям, создаваемым током. Подход токамака решил эту проблему, используя меньший ток пинча; это сделало систему стабильной, но означало, что ток больше нельзя было использовать для нагрева плазмы. Конструкции токамаков требуют внешнего обогрева.[87]

Пинч с перевернутым полем

Основная статья: пинч с перевернутым полем

В 1965 году в недавно открытой лаборатории Калхэма проходила периодическая встреча международных исследователей термоядерного синтеза. Из всей представленной работы присутствовали только две статьи по стабилизированному пинчу, обе на ZETA. Спитцер не упомянул их во время вступительных комментариев.[116]

Обычно электрический импульс, посылаемый в ZETA, формирует импульс тока с формой, подобной распределение Пуассона, быстро нарастая, затем стихая. В одной из статей отмечалось, что стабильность плазмы достигла максимума сразу после того, как ток начал спадать, а затем длился дольше, чем сам импульс тока. Это явление получило название «покой».[116]

Три года спустя, на том же заседании, где впервые были обнародованы советские результаты с токамаком Т-3, в докладе Робинсона и Кинга был рассмотрен период бездействия. Они определили, что это произошло из-за того, что исходное тороидальное магнитное поле меняет свое направление, создавая более стабильную конфигурацию. В то время грандиозность результатов Т-3 затмила этот результат.[117]

Джон Брайан Тейлор занялся этим вопросом и начал подробное теоретическое изучение концепции, опубликовав революционную статью 1974 года по этой теме. Он продемонстрировал, что когда магнитное поле, создавшее пинч, расслаблялось, оно взаимодействовало с уже существующими стабилизирующими полями, создавая самостабильное магнитное поле. Это явление было вызвано желанием системы сохранить магнитная спиральность, который предложил несколько способов уменьшить время удержания.[118]

Хотя стабилизирующая сила была ниже, чем сила, доступная при защемлении, она продолжалась значительно дольше. Оказалось, что можно построить реактор, приближающийся к Критерий Лоусона с другого направления, используя увеличенное время удержания, а не увеличенную плотность. Это было похоже на подход со стелларатором по идее, и хотя он имел бы более низкую напряженность поля, чем эти машины, энергия, необходимая для поддержания удержания, была намного ниже. Сегодня этот подход известен как пинч с перевернутым полем (RFP) и является областью дальнейшего изучения.[119][час]

Изучение Тейлором релаксации в обратное состояние привело к развитию им более широкого теоретического понимания роли магнитной спиральности и состояний с минимальной энергией, что значительно продвинуло понимание динамики плазмы. Состояние с минимальной энергией, известное как "Тейлор государство ", особенно важно для понимания новых подходов к синтезу в компактный тороид учебный класс. Тейлор продолжил изучение раздувание трансформации, проблема, которая возникала в новейших высокопроизводительных тороидальных машинах, когда в плазме формировались крупномасштабные формы волны. Его работа в области термоядерного синтеза принесла ему в 1999 г. Премия Джеймса Клерка Максвелла за физику плазмы.[121]

снос

Culham официально открылся в 1965 году, и в этот период с прежних мест начали покидать различные команды. Команда поддерживала работу ZETA до сентября 1968 года.[122][123] Ангар № 7, в котором размещались ZETA и другие машины, был снесен в 2005/2006 финансовом году.[124]

Примечания

  1. ^ Андрей Сахаров пришел к тому же выводу, что и Ферми в 1950 году, но его статья по этой теме не была известна на Западе до 1958 года.[13]
  2. ^ Харвелл находится недалеко к югу от Оксфорда.
  3. ^ Эти эффекты позже будут использованы для понимания аналогичных процессов, наблюдаемых на поверхности Солнца.[44]
  4. ^ Обзор всех машин, представленных в Женеве в 1958 году, описывает ZETA как имеющую большой радиус 160 см. Следующей по величине машиной было 100, а следующие 62, обе построены после ZETA. Остальные были намного меньше.[53]
  5. ^ По сравнению с ценой ZETA ~ 1 миллион долларов, современный стелларатор Model C стоил 23 миллиона долларов.[52]
  6. ^ Хилл довольно подробно освещает фурор по поводу релиза.
  7. ^ Споры между Кокрофтом и Хинтоном были широко распространены, разнообразны и продолжались на протяжении 1950-х годов.[92]
  8. ^ Сравнение современных методов тороидального удержания в Bellan показывает тесную взаимосвязь между RFP и стабилизированной схемой пинча.[120]

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Клери 2014, п. 24.
  2. ^ Бете 1939.
  3. ^ Олифант, Хартек и Резерфорд, 1934 г..
  4. ^ Маккракен и Стотт, 2012 г., п. 35.
  5. ^ а б Епископ 1958 г., п. 7.
  6. ^ Азимов 1972, п. 123.
  7. ^ Маккракен и Стотт, 2012 г. С. 36–38.
  8. ^ а б c d е Томсон 1958, п. 12.
  9. ^ Епископ 1958 г., п. 17.
  10. ^ Клери 2014, п. 25.
  11. ^ Томсон 1958, п. 11.
  12. ^ а б Холм 2013, п. 182.
  13. ^ а б c Furth 1981, п. 275.
  14. ^ Бромберг 1982, п. 16.
  15. ^ а б c Филлипс 1983, п. 65.
  16. ^ Хазельтин и Мейс 2013 С. 8–11.
  17. ^ Азимов 1972, п. 155.
  18. ^ Беннетт 1934.
  19. ^ Поллок и Барраклаф 1905.
  20. ^ Епископ 1958 г., п. 22.
  21. ^ Тонкс 1937.
  22. ^ Тонкс и Эллис 1937.
  23. ^ Фрейдберг 2008 С. 259–261.
  24. ^ Хармс, Шёпф и Кингдон, 2000 г., п. 153.
  25. ^ Хармс, Шёпф и Кингдон, 2000 г., п. 154.
  26. ^ а б c d Герман 1990, п. 40.
  27. ^ Томсон, Джордж Пэджет; Блэкман, Моисей (6 августа 1959 г.). «Патентная спецификация 817 681: Усовершенствования в газоразрядном аппарате или относящиеся к нему для проведения термоядерных реакций». Европейское патентное ведомство. Получено 18 декабря 2017.
  28. ^ Холм 2013, п. 193.
  29. ^ Сайкс, Алан (3–14 октября 2011 г.). Стремление к рекордно высокой бете в токамаках (PDF) (Технический отчет). п. 5.
  30. ^ Холм 2013, п. 40.
  31. ^ а б Клери 2014, п. 29.
  32. ^ Епископ 1958 г., п. 15.
  33. ^ Герман 1990, п. 41.
  34. ^ Клери 2014 С. 27–28.
  35. ^ а б Бромберг 1982, п. 21.
  36. ^ Клери 2014, п. 30.
  37. ^ Остин 2016, п. 539.
  38. ^ Шеффилд 2013, п. 19.
  39. ^ а б Клери 2014, п. 31.
  40. ^ Слушания и отчеты по атомной энергии (Технический отчет). Комиссия по атомной энергии США. 1958. с. 428.
  41. ^ Маккракен и Стотт, 2012 г., п. 55.
  42. ^ Хармс, Шёпф и Кингдон, 2000 г. С. 152–153.
  43. ^ а б Лес 2006 С. 106–108.
  44. ^ Srivastava et al. 2010 г..
  45. ^ Бромберг 1982, п. 68.
  46. ^ а б Бромберг 1982, п. 83.
  47. ^ а б c d Бромберг 1982, п. 70.
  48. ^ Епископ 1958 г., п. 29.
  49. ^ а б Клери 2014, п. 54.
  50. ^ а б Клери 2014, п. 32.
  51. ^ Braams & Stott 2002 С. 25–26.
  52. ^ а б c d е ж Бромберг 1982, п. 75.
  53. ^ а б c Braams & Stott 2002, п. 50.
  54. ^ Томсон 1958, п. 13.
  55. ^ а б Четвертый годовой отчет Управления по атомной энергии Соединенного Королевства, 1957/58 г. (Технический отчет). Управление по атомной энергии Великобритании. 1957. с. 20.
  56. ^ а б c d е ж грамм Сейф 2009.
  57. ^ Бромберг 1982, п. 69.
  58. ^ а б Курчатов 1956.
  59. ^ Герман 1990, п. 45.
  60. ^ Остин 2016, п. 481.
  61. ^ «Сотрудничество в области управляемого термоядерного синтеза». Новый ученый. 28 февраля 1957 г.
  62. ^ а б c d Бромберг 1982, п. 81.
  63. ^ Арну 2018.
  64. ^ а б Марджересон 1958, п. 15.
  65. ^ Маккракен и Стотт, 2012 г., п. 56.
  66. ^ Маккракен и Стотт, 2012 г., п. 57.
  67. ^ а б Бромберг 1982, п. 76.
  68. ^ а б Любовь 1957.
  69. ^ Холм 2013, п. 185.
  70. ^ Холм 2013, п. 186.
  71. ^ Холм 2013, п. 187.
  72. ^ «Британцы отрицают, что США затыкают атомную выгоду». Нью-Йорк Таймс. 13 декабря 1957 г. с. 13.
  73. ^ а б c Бромберг 1982, п. 82.
  74. ^ а б Холм 2013, п. 191.
  75. ^ а б c Кокрофт 1958, п. 14.
  76. ^ Герман 1990, п. 50.
  77. ^ Пиз, Роланд (15 января 2008 г.). "История британского спутника"'". BBC. Получено 6 мая 2017.
  78. ^ Allibone 1959 г..
  79. ^ а б c Герман 1990, п. 52.
  80. ^ «Первый шаг к термоядерной энергии». Жизнь. 3 февраля 1958. С. 34–35.
  81. ^ Любовь 1958a.
  82. ^ а б c d е Braams & Stott 2002, п. 93.
  83. ^ Герман 1990, п. 51.
  84. ^ а б c d Бромберг 1982, п. 86.
  85. ^ Роза 1958.
  86. ^ Холм 2013, п. 192.
  87. ^ а б c d Kenward 1979b, п. 627.
  88. ^ Сено 2008.
  89. ^ Любовь 1958b.
  90. ^ а б c Герман 1990, п. 53.
  91. ^ Остин 2016, п. 527.
  92. ^ Холм 2013, п. 26.
  93. ^ а б Кроули-Миллинг 1993, п. 67.
  94. ^ Остин 2016, п. 534.
  95. ^ а б Остин 2016, п. 535.
  96. ^ Остин 2016, п. 537.
  97. ^ Кроули-Миллинг 1993, п. 68.
  98. ^ а б c Шеффилд 2013, п. 20.
  99. ^ Остин 2016, п. 547.
  100. ^ Шеффилд 2013, п. 24.
  101. ^ Остин 2016, п. 546.
  102. ^ Kenward 1979a.
  103. ^ Pease 1983, п. 168.
  104. ^ а б c Арну 2009.
  105. ^ Desilva, A. W .; Evans, D.E .; Форрест, М. Дж. (1964). "Наблюдение томсона и кооперативное рассеяние света рубинового лазера плазмой". Природа. 203 (4952): 1321–1322. Bibcode:1964Натура.203.1321Д. Дои:10.1038 / 2031321a0. S2CID  4223215.
  106. ^ Coor 1961.
  107. ^ Вакатани 1998, п. 271.
  108. ^ а б «Успех Т-3 - прорыв для токамаков». ИТЭР. 3 ноября 2005 г.
  109. ^ «Удержание плазмы». ИТЭР.
  110. ^ а б Pease 1983, п. 163.
  111. ^ Сейф 2009, п. 112.
  112. ^ Клери 2014.
  113. ^ Форрест, Майкл (2016). «Лазеры через вишневые сады: эпический научный и политический переворот в Москве в разгар холодной войны - правдивая история ученого-ядерщика».
  114. ^ Арцимович, Лев (9 сентября 1961 г.). Труды конференции по физике плазмы и исследованиям управляемого ядерного синтеза, 4–9 сентября 1961 г., Зальцбург, Австрия (PDF). п. 17.
  115. ^ Peacock et al. 1969 г..
  116. ^ а б Braams & Stott 2002, п. 94.
  117. ^ Braams & Stott 2002, п. 95.
  118. ^ Тейлор 1974.
  119. ^ Боден 1988.
  120. ^ Bellan 2000, п. 3.
  121. ^ "Обладатель премии Джеймса Клерка Максвелла за физику плазмы, Джон Брайан Тейлор, лаборатория Калхэма", 1999 г.. Американское физическое общество. 1999. Получено 18 декабря 2017.
  122. ^ Пятнадцатый годовой отчет Управления по атомной энергии Соединенного Королевства за 1968/69 год (Технический отчет). Управление по атомной энергии Великобритании. 1969. с. 41.
  123. ^ Bellan 2000, п. 9.
  124. ^ "Харвелл Ревью 2005/06" (PDF). Управление по атомной энергии Великобритании. 28 июня 2006 г. Архивировано с оригинал (PDF) 6 октября 2011 г.. Получено 2 августа 2015.

Библиография

внешняя ссылка

Координаты: 51 ° 34′48 ″ с.ш. 1 ° 18′30 ″ з.д. / 51,5799 ° с. Ш. 1,3082 ° з. / 51.5799; -1.3082