Scepter (fusjonsreaktor) - Sceptre (fusion reactor)

Scepter var en tidlig fusjonskraftenhet basert på Z-pinch- konseptet med plasmakontroll , bygget i Storbritannia fra 1957. De var de ultimate versjonene av en serie enheter som sporer historien til de originale klemmemaskinene, bygget på Imperial College London av Cousins ​​and Ware i 1947. Da Storbritannias fusjonsarbeid ble klassifisert i 1950, ble Wares team flyttet til laboratoriene i Associated Electrical Industries (AEI) på Aldermaston . Teamet jobbet med problemene knyttet til bruk av metallrør med høye spenninger, til støtte for innsatsen på Harwell . Da Harwells ZETA -maskin tilsynelatende produserte fusjon, bygde AEI raskt en mindre maskin, Scepter, for å teste resultatene. Scepter produserte også nøytroner, tilsynelatende bekrefter ZETA -eksperimentet. Det ble senere funnet at nøytronene var falske, og britisk arbeid med Z-pinch ble avsluttet på begynnelsen av 1960-tallet.

Historie

Bakgrunn

Fusion forskning i Storbritannia startet på en shoestring budsjett på Imperial College i 1946. Når George Paget Thomson mislyktes i å få støtte fra John Cockcroft 's Atomic Energy Research Establishment (ære), snudde han over prosjektet til to studenter, Stan Cousins og Alan Ware. De begynte å jobbe med konseptet i januar 1947, ved hjelp av et glassrør og gamle radardeler. Deres lille eksperimentelle enhet var i stand til å generere korte lysglimt. Imidlertid forble lysets natur et mysterium ettersom de ikke kunne finne på en metode for å måle temperaturen.

Lite interesse ble vist for verket, selv om det ble lagt merke til av Jim Tuck , som var interessert i all fusjon. Han på sin side har innført begrepene til Peter Thonemann, og de to utviklet et lignende liten maskin av sine egne ved Oxford University 's Clarendon Laboratory . Tuck dro til University of Chicago før enheten ble bygget. Etter å ha flyttet til Los Alamos , introduserte Tuck klemkonseptet der, og til slutt bygde han kanskje den samme linjen.

I begynnelsen av 1950 innrømmet Klaus Fuchs å ha overlatt britiske og amerikanske atomhemmeligheter til Sovjetunionen. Ettersom fusjonsenheter ville generere store mengder nøytroner , som kan brukes til å berike atombrensel for atombomber , klassifiserte Storbritannia umiddelbart alt deres fusjonsarbeid. Forskningen ble ansett som viktig nok til å fortsette, men det var vanskelig å opprettholde hemmelighold i universitetsmiljø. Beslutningen ble tatt om å flytte begge lagene til sikre lokasjoner. Imperial team under Ware ble opprettet på laboratoriene til Associated Electrical Industries (AEI) på Aldermaston i november mens Oxford -teamet under Thonemann ble flyttet til UKAEA Harwell.

Kanskje det tidligste fotografiet av kink ustabilitet i aksjon - 3 x 25 pyrex -røret på Aldermaston.

I 1951 var det mange knipeenheter i drift; Cousins ​​and Ware hadde bygd flere oppfølgingsmaskiner, Tuck bygde sin kanskjeatron, og et annet team på Los Alamos bygde en lineær maskin kjent som Columbus. Det ble senere lært at Fuchs hadde gitt informasjon om det tidlige britiske arbeidet til sovjeterne, og de hadde også startet et knipeprogram.

I 1952 var det klart for alle at noe var galt i maskinene. Etter hvert som strøm ble påført, ville plasmaet først klype ned som forventet, men deretter utvikle en serie "knekk", som utviklet seg til en sinusformet form. Når de ytre delene treffer veggene i beholderen, vil en liten mengde av materialet spyle ut i plasmaet, avkjøle det og ødelegge reaksjonen. Denne såkalte "kink ustabilitet" syntes å være et grunnleggende problem.

Praktisk jobb

På Aldermaston ble Imperial -teamet satt under ledelse av Thomas Allibone . Sammenlignet med teamet på Harwell, bestemte Aldermaston -teamet seg for å fokusere på raskere klemmesystemer. Strømforsyningen deres besto av en stor kondensatorbank med en total kapasitet på 66 000 Joule (når den er fullstendig utvidet) byttet med gnistgap som kan dumpe den lagrede kraften i systemet ved høye hastigheter. Harwells enheter brukte langsommere stigende klypestrømmer, og måtte være større for å nå de samme forholdene.

Et tidlig forslag til å løse kink -ustabiliteten var å bruke høyt ledende metallrør til vakuumkammeret i stedet for glass. Når plasmaet nærmet seg veggene i røret, ville den bevegelige strømmen indusere et magnetfelt i metallet. På grunn av Lenzs lov ville dette feltet motarbeide plasmaets bevegelse mot det, forhåpentligvis bremse eller stoppe tilnærmingen til sidene av beholderen. Tuck omtalte dette konseptet som "å gi plasmaet en ryggrad".

Allibone, opprinnelig fra Metropolitan-Vickers , hadde jobbet med metallveggede røntgenrør som brukte små innsatser av porselen for å isolere dem elektrisk. Han foreslo å prøve det samme for fusjonseksperimentene, noe som potensielt kan føre til høyere temperaturer enn glassrørene kunne håndtere. De startet med et helt porselenrør med 20 cm hovedakse, og klarte å indusere 30 kA strøm inn i plasmaet før det brøt opp. Etter dette bygde de en aluminiumsversjon, som ble delt i to deler med glimmerinnlegg mellom dem. Denne versjonen led buet mellom de to halvdelene.

Overbevist om at metallrøret var veien videre, startet teamet deretter en lang rekke eksperimenter med forskjellige materialer og konstruksjonsteknikker for å løse bueproblemet. I 1955 hadde de utviklet et med 64 segmenter som viste løfte, og ved hjelp av 60 kJ kondensatorbank kunne de indusere 80 kA utslipp. Selv om røret var en forbedring, led det også av de samme kink -ustabilitetene, og arbeidet med denne tilnærmingen ble forlatt.

For bedre å karakterisere problemet startet teamet byggingen av en større aluminiumstorus med en 12-tommers boring og 45 tommers diameter, og satte inn to rette seksjoner for å strekke den til en racerbane-form. De rette seksjonene, kjent som "pepperpotten", hadde en rekke hull boret i dem, vinklet slik at de alle pekte på et enkelt fokuspunkt et stykke fra apparatet. Et kamera plassert i fokuspunktet var i stand til å ta bilde av hele plasmakolonnen, noe som forbedret deres forståelse av ustabilitetsprosessen sterkt.

Ved å studere problemet utviklet Shavranov, Taylor og Rosenbluth ideen om å legge til et andre magnetfelt til systemet, et steady-state toroidfelt generert av magneter som sirkler vakuumrøret. Det andre feltet ville tvinge elektronene og deuteronene i plasmaet til å gå i bane rundt kraftlinjene, og redusere effekten av små ufullkommenheter i feltet generert av selve klypen. Dette vakte stor interesse både i USA og Storbritannia. Thomson, bevæpnet med muligheten for en brukbar enhet og åpenbar interesse i USA, vant godkjenning for en veldig stor maskin, ZETA.

Septer

På Aldermaston, ved hjelp av den samme informasjonen, beregnet Wares team at med de 60 kJ som er tilgjengelig i den eksisterende kondensatorbanken, ville de nå de nødvendige forholdene i et kobberbelagt kvartsrør 2 tommer i boring og 10 tommer i diameter, eller en alt- kobberversjon 2 tommer i boring og 18 tommer på tvers. Arbeidet med begge startet parallelt, som Scepter I og II.

Imidlertid hadde ZETA -teamet i Harwell allerede oppnådd stabile plasmaer i august 1957 før begge ble fullført . Aldermaston -teamet kjørte for å fullføre sitt større fotografiske system. Elektrisk lysbue og kortslutning mellom rørsegmentene ble et problem, men teamet hadde allerede lært at "tørrfyring" av apparatet hundrevis av ganger ville redusere denne effekten. Etter å ha tatt opp buen viste ytterligere eksperimenter temperaturer rundt 1 million grader. Systemet fungerte som forventet, og produserte klare bilder av kink-ustabiliteten ved hjelp av høyhastighetsfotografering og argongass for å produsere et lyst bilde.

Teamet fjernet deretter de rette seksjonene, la til stabiliseringsmagneter og døpte maskinen Scepter III på nytt. I desember startet de eksperimentelle løp som de på ZETA. Ved å måle spektrallinjene for oksygen, beregnet de innetemperaturer på 2 til 3,5 millioner grader. Fotografier gjennom en spalte i siden viste at plasmakolonnen var stabil i 300 til 400 mikrosekunder, en dramatisk forbedring i forhold til tidligere innsats. Arbeidet bakover, beregnet teamet at plasmaet hadde en elektrisk resistivitet rundt 100 ganger kobber, og var i stand til å bære 200 kA strøm i 500 mikrosekunder totalt. Når strømmen var over 70 kA, ble nøytroner observert i omtrent samme tall som ZETA.

Som i tilfellet med ZETA ble det snart lært at nøytronene ble produsert av en falsk kilde, og temperaturene skyldtes turbulens i plasmaet, ikke gjennomsnittstemperaturen.

Scepter IV

Etter hvert som ZETA -debakket utspilte seg i 1958, håpet man på løsninger på problemene som ble sett i ZETA og Scepter IIIA: et bedre rør, høyere vakuum og tettere plasma. Siden Scepter-maskinen var mye billigere og kondensatorbanken med høy effekt allerede eksisterte, ble det besluttet å teste disse konseptene med en ny enhet, Scepter IV.

Imidlertid hjalp ingen av disse teknikkene. Scepter IV viste seg å ha de samme ytelsesproblemene som de tidligere maskinene. Scepter IV viste seg å være den siste store "klassiske" knipeenheten som ble bygget i Storbritannia.

Merknader

Referanser