Astron (fusjonsreaktor) - Astron (fusion reactor)

Den Astron er en type fusjonskraft innretning utviklet av Nicholas Christofilos og bygget ved Lawrence Livermore National Laboratory på 1960- og 70-årene. Astron brukte et unikt inneslutningssystem som unngikk flere av problemene i moderne design som stellator og magnetisk speil . Utviklingen ble sterkt bremset av en rekke endringer i designet som ble gjort med begrenset tilsyn, noe som førte til at det ble nedsatt en vurderingskomité for å overvåke videre utvikling. Astron klarte ikke å oppfylle prestasjonsmålene som ble satt av komiteen; finansiering ble kansellert i 1972 og utvikling avviklet i 1973. Arbeid med lignende design ser ut til å ha vist et teoretisk problem i selve designet som antyder at det aldri kunne brukes til praktisk generering.

Historie

Sterk fokusering

Christofilos er mest kjent for å uavhengig oppfinne begrepet sterk fokusering , en funksjon som brukes i partikkelakseleratorer . Han hadde først startet arbeidet etter disse linjene på slutten av 1940-tallet mens han drev et heisinstallasjonsfirma, og i 1948 skrev han et brev til det som da var University of California's Radiation Laboratory i Berkeley og skisserte flere ideer om akseleratorfokusering. Da de returnerte brevet sitt, hvor han påpekte flere problemer, løste han disse og skrev dem igjen. Dette andre brevet ble ignorert. I 1950 inngav Christofilos en patentsøknad, som ble innvilget i 1956 som US patent 2 736 799.

Rundt samme tid vurderte Ernest Courant , Milton Stanley Livingston og Hartland Snyder fra Brookhaven National Laboratory det samme problemet og utviklet den samme løsningen og skrev om det i 1. desember 1952-utgaven av Physical Review . Da han så papiret, arrangerte Christofilos en tur til USA, og ankom to måneder senere. På vei til Brookhaven beskyldte han dem med sinne for å stjele ideen fra patentet. Han møtte også medlemmer av Atomic Energy Commission , og etter møte med advokatene betalte de ham $ 10.000 for patentet.

Astron-forslag

Med patentkjøpet kom litt berømmelse og nok penger til at Christofilos var i stand til å komme inn i den amerikanske fysikkverdenen. I april 1953 deltok han på et møte i Project Sherwood , og presenterte en annen ide han hadde jobbet med i Hellas, Astron.

Den grunnleggende ideen var å injisere høyenergetiske elektroner inn i et magnetisk speil (det "tank"). Elektronene ville bli fanget i speilet, og bygge opp et strømlag nær den ytre overflaten av tankvolumet, som han kalte "E-laget". E-laget ville selv produsere et kraftig magnetfelt etter hvert som det bygde seg opp, og når strømmen nådde en kritisk tetthet, ville feltene "reversere" og brettes inn i en ny konfigurasjon av lukkede linjer som dannet et kontinuerlig inneslutningsområde. Når E-laget hadde blitt vellykket dannet, vil fusjonsbrensel injiseres i området inne i det, og oppvarmes ved interaksjoner med E-laget for å bringe det til fusjonstemperaturer.

Dette arrangementet løste et av hovedproblemene med det grunnleggende magnetiske speilkonseptet, som hadde åpne feltlinjer i endene. Drivstoff kan følge disse linjene rett ut av reaktoren. Speil lekket dermed naturlig plasma , selv om designere mente at de kunne løse dette problemet ved å betjene maskinene ved veldig høye temperaturer. I praksis viste lekkasjen seg å være enda høyere enn grunnleggende teori antydet, og fungerte aldri på nivåene de håpet å oppnå.

På den tiden var Sherwood fremdeles hemmelig, noe som ga problemer da han først skisserte konseptet. Før han inntok scenen, var formlene fra forrige økt på tavlen nøye slettet. Da han fylte tavlen med sine egne ligninger, viste noen ham hjelpsomt knappene som skulle heve den og avsløre en fersk under. Denne var ikke slettet og førte til en forhastet innsats for å forhindre at det følsomme materialet lekker. Christofilos fikk en jobb på Brookhaven for å unngå en gjentatt hendelse, hvor han kunne fortsette å jobbe med Astron-teorien.

Astron testing

I 1956 mottok endelig Christofilos sin sikkerhetsklarering, og han flyttet umiddelbart til det som nå var Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) for å starte arbeidet med Astron-konseptet. Etter to år hadde det blitt gjort nok fremgang for at han var i stand til å presentere ideen på Atoms for Peace- konferansen i 1958 , i tillegg til en modell av systemet de foreslo å bygge. Denne besto av to hoveddeler, den magnetiske flasken der plasmaet skulle holdes, og en partikkelakselerator som ga de relativistiske elektronene.

Til tross for sin suksess var Christofilos alltid en outsider på laboratoriet. Time rapporterte at "Han har fortsatt ingen grad i fysikk, og hans greske aksent, greske svingelighet og kjærlighet til lidenskapelig argument holder ham utenforstående." Dette førte til friksjon i fysikketablissementet, og tidlige krav om avslutning av Astron-programmet. En gjennomgang fra 1963 av hele Project Sherwood- innsatsen førte til formelle avbestillinger. Programmet hadde imidlertid støtte i ledelsen av det kontrollerte fusjonsprogrammet, særlig Glenn Seaborg og John S. Foster , begge med sterke bånd til LLNL. Spesielt Foster var bekymret for grupper i Washington som dikterte utvikling til laboratoriene. Etter betydelig diskusjon ble det bestemt at programmet skulle få fortsette, men måtte demonstrere feltreduksjon innen 1965.

I 1963 hadde teamet designet og bygget en ny type lineær induksjonsakselerator med de nødvendige egenskapene. Akseleratorutformingen førte til interesse som et partikkelstrålevåpen studert under Project Seesaw. Under konstruksjonen innså teamet imidlertid at elektronene var fri til å reise tilbake til gassområdet. Christofilos løste dette ved å introdusere motstandsledninger som bremset elektronene litt etter at de kom inn i tanken, slik at de ikke lenger hadde energien som trengs for å strømme ut igjen.

Etter litt arbeid med å stryke ut bugs, ble de første resultatene publisert i juni 1964. Gasspedalen fungerte, fungerte ved 4 MeV og 120 ampere, og et stabilt E-lag ble bekreftet, men genererte bare 2 A / cm strøm, bare 0,05% av det diamagnetiske feltet som kreves for å reversere feltet. Arbeidet fortsatte å oppfylle 1965-målet om reversering, men til slutt mislyktes det. Imidlertid var elektronlaget stabilt, så Herb-Allison-komiteen anbefalte det å fortsette til neste milepæl.

I 1967 var dette forbedret til 6%, men var fortsatt langt fra det stabile E-laget som enheten trengte for å oppnå. I 1968 skrev Christofilos og T. Kenneth Fowler en rapport der de ba om en kraftigere akselerator, og oppgraderinger til tanken.

Granskning

Midler til oppgraderingene ble til slutt gitt, men bare på bekostning av direkte tilsyn av et Ad Hoc-panel opprettet av AEC. På dette tidspunktet hadde de "konvensjonelle" designene, stellatoren og det magnetiske speilet, lenge jobbet med virkelige plasmaer og økte sakte trykket og temperaturene. Astron var derimot fortsatt langt fra å bygge sitt første nyttige E-lag, en forutsetning for plasmaeksperimenter.

Ad Hoc-panelet returnerte en negativ rapport, og klaget over at altfor mye innsats hadde blitt lagt i operasjonelle spørsmål som akseleratorytelse, med liten eller ingen innsats i teoretiske studier om hvorvidt plasma noen gang ville være stabilt, selv om et E-lag kunne dannes. Videre påpekte panelet at ingen seriøst hadde studert om en opererende og stabil Astron ville kreve mer kraft for å operere enn den ville frigjøre. Dette var en alvorlig bekymring i Astron, fordi dets relativistiske elektroner ville utstråle store mengder kraft på grunn av elektronsynkrotronstråling .

Christofilos hadde allerede vurdert dette og foreslo at en operasjonsdesign ville bruke protoner i stedet for elektronene, og ikke ville lide av samme nivå av energitap. Imidlertid eksisterte ingen slik akselerator på den tiden, og panelet var svært skeptisk til at det ville være enkelt å bygge.

Oppgradering

Oppgraderingene til Astron fortsatte og startet i drift i 1969. I løpet av denne perioden, etter råd fra panelet, begynte de teoretiske divisjonene ved LLNL å ta et mye mer seriøst blikk på konseptet. Bygger datamaskinmodeller av systemet, angrep de først problemet med "stabling", at individuelle pulser av elektroner fra gasspedalen ikke byggte seg opp i E-laget som forventet. Bruce Langdon demonstrerte at stabling rett og slett ikke ville fungere.

Et forslag fra Fowler viste seg imidlertid å redde Astron fra dette problemet. Han hadde bemerket at å legge til et andre magnetfelt som løper nedover midten av tanken, vil redusere mengden eksternt felt som trengs for å lage E-laget. Christofilos fortsatte denne endringen og begynte å teste i 1971; dette demonstrerte sterkt forbedret ytelse både med reduksjon i strøm og suksess med å fange elektronene. Dette tillot også at to pulser ble stablet, og økte feltet til 15% diamagnetisk styrke.

Mens Astron jobbet mot flere pulser, hadde et team ved Cornell University jobbet med et lignende design. Imidlertid brukte dette Relativistic Electron Coil Experiment (RECE) en enkelt lang puls av elektroner i stedet for stablingskonseptet. Sent i 1971 kunngjorde de at de hadde oppnådd fullstendig feltreversjon. Christofilos var ikke imponert; denne utformingen ville ikke være nyttig for en steady state fusjonsgenerator, bare ved kontinuerlig å legge til pulser kunne maskinen opprettholde seg selv.

Kansellering

Overfor de fortsatte problemene med Astron, og den tilsynelatende lette at RECE-teamet hadde klart å nå de målene de opprinnelig hadde foreslått i 1968, publiserte et andre Ad Hoc-panel en skarp rapport. Blant problemene bemerket de at Astron-teamet hadde sett etter "geniale måter å unngå eller omgå vanskeligheter i stedet for å forstå dem." Roy Gould , sjef for AECs kontrollerte fusjonsprogram, var spesifikk i å la Astron-prosjektet fortsette, men bare hvis det nådde en rekke mål på en bestemt tidslinje.

Da Robert Hirsch overtok AECs kontrollerte fusjonsarm i 1972, innførte han en grundig gjennomgang for å klassifisere tilnærmingene som ble studert og eliminere duplisering og lavt utbetalingsprosjekter. Gitt de spennende resultatene med tokamak utgitt i 1968, favoriserte Hirsch et program med relativt få prosjekter som hver fikk mye større budsjetter. Mange programmer som Astron så ganske enkelt ikke ut til å ha noen utbetaling på kort sikt, og Hirsch var opptatt av å avbryte dem.

24. september 1972 møtte Christofilos James Schlesinger fra AEC, men ingen oversikt over møtet gjenstår. Etter en lang dag dro han til et lokalt Holiday Inn for å redde et langt pendlingshjem. Den kvelden fikk han et massivt hjerteinfarkt og døde.

Richard Briggs overtok ledelsen av prosjektet til den planlagte stengningsdatoen i juni 1973. Under hans ledelse vendte Astron tilbake for å studere det nye stabiliseringsfeltet som ble introdusert av Fowler, og ved å bruke enkelt større pulser slo enheten 50% diamagnetisk styrke, mye større enn Christofilos 'innsats med pulskjeder. Den endelige rapporten deres uttalte at "oppbygging av E-laget ved multipulsinjeksjon generelt ikke lyktes" og bemerket at de på tidspunktet for nedleggelsen fortsatt ikke forsto hvilket fysikkproblem som begrenset oppbyggingen.

Etter Astron

Selv om Astron stengte, fortsatte arbeidet med RECE i Cornell i noen tid. Som en del av sitt arbeid forsøkte teamet å bytte fra elektroner til protoner. Imidlertid, som noen mistenkte, viste det seg at "P-laget" var vanskelig å bygge, og feltreversering med protoner ble aldri oppnådd. Den siste versjonen av denne innsatsen, FIREX, ble lagt ned i 2003, etter å ha demonstrert det som ser ut til å være en rent teoretisk grunn til at Astron-konseptet aldri vil fungere.

Den relativistiske elektronringen spilte også en rolle i den humpete torusdesignen . Dette var et annet forsøk på å "plugge endene" til speil, ved å koble et antall speil fra ende til side for å danne en torus. Elektroner ble drevet til høy energi ikke gjennom direkte injeksjon, men ekstern mikrobølgedrevet elektron-cyklotronoppvarming (ECH).

Beskrivelse

Astron-enheten besto av to seksjoner, den lineære akseleratoren og det magnetiske speil "tanken". Disse ble konstruert i rette vinkler, med gasspedalen ut i siden av tanken i den ene enden.

Tanken var et relativt enkelt eksempel på det magnetiske speilkonseptet , bestående stort sett av en lang solenoid med ekstra viklinger i begge ender for å øke magnetfeltet i disse områdene og danne speilet. I et enkelt speil ble ionene i drivstoffplasmaet injisert i en vinkel slik at de ikke bare kunne strømme rett ut fra endene der feltet var omtrent lineært. Imidlertid var det et ringformet område i hver ende hvor ioner med riktig energi kunne unnslippe, og forskjellige beregninger viste at hastigheten ville være ganske høy.

Ved å injisere elektroner i speilet før drivstoffet, ville E-laget skape et andre magnetfelt som ville føre til at de ringformede områdene falt tilbake i sentrum av tanken. Det resulterende feltet var formet som et rør, og lignet veldig på Field-Reversed Configuration , eller FRC. Hovedforskjellen mellom disse enhetene er måten feltreversering oppnås; med E-laget i Astron, og med strømmer i plasma for FRC. I likhet med det klassiske speilet injiserte Astron elektronene i speilet i en liten vinkel for å sikre at de ville sirkulere inn i midten av speilet.

I dag blir Astron ofte ansett som en underklasse av FRC-konseptet.

Se også

• Liste over plasma (fysikk) artikler

Referanser

Sitater

Bibliografi

• Bromberg, Joan Lisa (1982). Fusion: Vitenskap, politikk og oppfinnelsen av en ny energikilde . MIT Trykk .
• Coleman, Elisheva (4. mai 2004). Greek Fire: Nicholas Christofilos and the Astron Project in America's Fusion Program (PDF) . Arkivert fra originalen (PDF) 7. januar 2017 . Hentet 31. oktober 2011 .