WikiDer > Скипетр (термоядерный реактор)

Sceptre (fusion reactor)

Скипетр был ранним термоядерная энергия устройство на основе Z-защемление идея плазма конфайнмент, построенный в Великобритании начиная с 1957 года. Они были окончательными версиями серии устройств, прослеживающих свою историю до оригинальных зажимных машин, построенных в Имперский колледж Лондон Казинсом и Уэром в 1947 году. Когда в 1950 году британская фьюжн-работа была засекречена, команда Уэра была переведена в Связанные электрические отрасли (AEI) лаборатории в Aldermaston. Команда работала над проблемами, связанными с использованием металлических трубок с высоким напряжением, в поддержку усилий по Harwell. Когда Харвелл ZETA машина, очевидно, произвела синтез, AEI быстро построила меньшую машину, Scepter, чтобы проверить их результаты. Скипетр также производил нейтроны, очевидно, подтверждая эксперимент ZETA. Позже было обнаружено, что нейтроны были ложными, и британские работы по Z-пинчу закончились в начале 1960-х годов.

История

Фон

Для получения подробной истории ущемления в Великобритании см. ZETA

Исследование Fusion в Великобритании началось с ограниченным бюджетом в Имперский колледж в 1946 году. Когда Джордж Пэджет Томсон не удалось получить финансирование от Джон Кокрофтс Научно-исследовательский центр по атомной энергии (AERE), он передал проект двум студентам, Стэну Казинсу и Алану Уэру. Они начали работу над концепцией в январе 1947 года.[1] с использованием стеклянной трубки и старых деталей радара. Их небольшое экспериментальное устройство могло генерировать короткие вспышки света. Однако природа света оставалась загадкой, поскольку они не могли придумать метод измерения его температуры.[2]

К работе проявили мало интереса, хотя ее заметили Джим Так, которого интересовал фьюжн. Он, в свою очередь, представил эти концепции Питеру Тонеману, и они вместе разработали аналогичную небольшую машину. Оксфордский университетс Лаборатория Кларендона. Так ушел в Чикагский университет до того, как устройство было построено.[3] После переезда в Лос-Аламос, Так представил там концепцию пинча и в итоге построил Возможно, Атрон по тому же принципу.

В начале 1950 г. Клаус Фукс'признался в передаче СССР атомных секретов Великобритании и США. Поскольку термоядерные устройства будут генерировать обильное количество нейтроны, которое можно было бы использовать для обогащения ядерного топлива для атомные бомбыВеликобритания немедленно засекретила все свои работы по слиянию. Исследование считалось достаточно важным, чтобы его можно было продолжить, но в университетских условиях было трудно сохранить секретность. Было принято решение переместить обе команды в безопасные места. Императорская команда под Ware была создана на Связанные электрические отрасли (AEI) лаборатории в Aldermaston в ноябре[1] в то время как оксфордская команда под руководством Тонеманна была переведена в UKAEA Харвелл.[4]

Возможно, самая ранняя фотография кинк-нестабильности в действии - труба из пирекса 3х25 в Олдермастоне.

К 1951 году в эксплуатации было множество зажимных устройств; Казинс и Уэр построили несколько последующих машин, Так построил свой «Возможноатрон», а другая команда в Лос-Аламосе построила линейную машину, известную как «Колумб». Позже стало известно, что Фукс передал Советам информацию о ранних британских работах, и они тоже начали программу зажима.

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

Практическая работа

В Олдермастоне имперская команда была передана под руководство Томас Аллибоун. По сравнению с командой Harwell, команда Aldermaston решила сосредоточиться на более быстрых системах зажима. Их источник питания состоял из большого банка конденсаторы общей емкостью 66000 Джоулей[5] (при полном раскрытии) переключено искровые разрядники которые могли бы сбрасывать накопленную мощность в систему на высоких скоростях. В устройствах Харвелла использовались более медленные нарастающие токи пинча, и они должны были быть больше, чтобы достичь тех же условий.[6]

Одним из первых предложений для решения проблемы нестабильности изгиба было использование для вакуумной камеры металлических трубок с высокой проводимостью вместо стекла. Когда плазма приближалась к стенкам трубки, движущийся ток индуцировал магнитное поле в металле. Это поле будет из-за Закон Ленца, препятствовал движению плазмы к нему, надеясь замедлить или остановить ее приближение к стенкам контейнера. Так назвал эту концепцию «основой для плазмы».

Allibone, родом из Метрополитен-Виккерс, работал над рентгеновскими трубками с металлическими стенками, в которых использовались небольшие фарфоровые вставки для электрической изоляции. Он предложил попробовать то же самое для экспериментов по термоядерному синтезу, которые потенциально могут привести к более высоким температурам, чем выдерживают стеклянные трубки. Они начали с полностью фарфоровой трубки с большой осью 20 см и смогли навести ток 30 кА в плазму, прежде чем она распалась. После этого они построили алюминиевую версию, которая была разделена на две части со вставками из слюды между ними. У этой версии возникла дуга между двумя половинами.[1]

Убежденные, что металлическая труба - это путь впереди, команда затем начала длинную серию экспериментов с различными материалами и конструкционными технологиями, чтобы решить проблему дуги. К 1955 году они разработали один из 64 сегментов, который показал себя многообещающе, и, используя батарею конденсаторов 60 кДж, они смогли вызвать разряды 80 кА.[5] Хотя трубка была усовершенствованной, она также страдала от той же нестабильности изгиба, и работа над этим подходом была прекращена.[7]

Чтобы лучше охарактеризовать проблему, команда приступила к созданию более крупного алюминиевого тора с 12-дюймовым отверстием и диаметром 45 дюймов и вставила две прямые секции, чтобы придать ему форму гоночной трассы. На прямых участках, известных как «перечный горшок», просверливали серию отверстий, расположенных под углом, так что все они указывали на одну точку фокусировки на некотором расстоянии от прибора.[5] Камера, размещенная в фокусе, смогла отобразить весь плазменный столб, что значительно улучшило их понимание процесса нестабильности.[7]

Изучая этот вопрос, Шавранов, Тейлор и Розенблют разработали идею добавления к системе второго магнитного поля, устойчивого тороидального поля, создаваемого магнитами, вращающимися вокруг вакуумной трубки. Второе поле заставит электроны и дейтроны в плазме вращаться вокруг силовых линий, уменьшая влияние небольших дефектов в поле, создаваемое самим пинчем. Это вызвало значительный интерес как в США, так и в Великобритании. Томсон, вооруженный возможностью создания работоспособного устройства и очевидным интересом к США, добился одобрения 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 покрытой медью кварцевой трубке диаметром 2 дюйма и диаметром 10 дюймов или полностью медная версия 2 дюйма в диаметре и 18 дюймов. Работа над обоими началась параллельно, как над Scepter I и II.[7]

Однако до того, как они были завершены, ZETA Команда из Харвелла уже достигла стабильной плазмы в августе 1957 года. Команда Олдермастона мчалась, чтобы завершить свою большую фотографическую систему. Электрическая дуга и короткое замыкание между сегментами трубок стали проблемой, но команда уже знала, что «сухое зажигание» устройства в сотни раз уменьшит этот эффект.[8] После устранения дуги дальнейшие эксперименты показали, что температура составляет около 1 миллиона градусов.[9] Система работала так, как ожидалось, создавая четкие изображения нестабильности излома с помощью высокоскоростной фотографии и газа аргона, чтобы получить яркое изображение.[5]

Затем команда удалила прямые секции, добавила стабилизирующие магниты и переименовала машину в Scepter III.[5] В декабре они начали экспериментальные запуски, подобные тем, что были на ZETA. Измеряя спектральные линии кислорода, они вычислили внутреннюю температуру от 2 до 3,5 миллионов градусов. Фотографии, сделанные через боковую щель, показали, что плазменный столб оставался стабильным в течение 300–400 микросекунд, что значительно лучше предыдущих усилий. Работая в обратном направлении, команда подсчитала, что плазма имела удельное электрическое сопротивление примерно в 100 раз больше, чем у меди, и могла выдерживать ток 200 кА в течение 500 микросекунд. Когда ток превышал 70 кА, количество нейтронов было примерно таким же, как и у ZETA.[9]

Как и в случае с ZETA, вскоре стало известно, что нейтроны производятся ложным источником, а температуры были вызваны турбулентностью в плазме, а не средней температурой.[10]

Скипетр IV

Когда в 1958 году разыгрался фиаско с ZETA, надеялись, что решения проблем, обнаруженных в ZETA и Scepter IIIA, будут простыми: лучшая трубка, более высокий вакуум и более плотная плазма. Поскольку машина Scepter была намного дешевле и батарея конденсаторов большой мощности уже существовала, было принято решение протестировать эти концепции с новым устройством Scepter IV.[11]

Однако ни один из этих методов не помог. У Scepter IV были те же проблемы с производительностью, что и у более ранних машин.[11] Scepter IV оказался последним крупным «классическим» зажимным устройством, созданным в Великобритании.

Примечания

  1. ^ а б c Allibone, стр. 17
  2. ^ Герман, стр. 40
  3. ^ Герман, стр. 41 год
  4. ^ Томсон, стр. 12
  5. ^ а б c d е Обзор, стр. 170
  6. ^ Тонеманн, стр. 34
  7. ^ а б c Allibone, стр. 18
  8. ^ Обзор, стр. 174
  9. ^ а б Allibone, стр. 19
  10. ^ Томас Эдвард Аллибоун, "Руководство по экспериментам Зетов", Новый ученый, 18 июня 1959 г., стр. 1360
  11. ^ а б Allen, NL; Бальфур, Д; Cloke, V C; Зеленый, L A; Hemmings, R F; Хьюз, Т. П.; Hunt, S. E; Иордания, B; и другие. (1962). "Тороидальный разряд скипетра IV". Журнал ядерной энергии. Часть C, Физика плазмы, ускорители, термоядерные исследования. 4 (6): 375. Bibcode:1962JNuE .... 4..375A. Дои:10.1088/0368-3281/4/6/301.

Рекомендации