«Aposeatron » был ранним устройством термоядерной энергии, основанным на концепции пинча в 1950-х годах. Придуманное Джеймсом (Джимом) Таком во время работы в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL), оно было названо им в надежде, что оно сможет создавать реакции термоядерного синтеза. [1]
Первый образец был построен зимой 1952/53 года, и он быстро продемонстрировал ряд нестабильностей в плазме , которые мешали концепции пинча. Последовал ряд модификаций, которые пытались исправить эти проблемы, что привело к окончательной модели "S-4". Ни одна из них не оказалась плодотворной.
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории имели долгую историю изучения ядерного синтеза, и к 1946 году они подсчитали, что плазму в стационарном состоянии необходимо нагреть до 100 миллионов градусов по Цельсию (180 миллионов градусов по Фаренгейту), чтобы «воспламениться» и высвободить чистую энергию. [2] Это представляло важнейший интерес для создателей ядерной бомбы , где для обеспечения требуемых температур использовался небольшой «спусковой крючок» атомной бомбы .
Захват этой энергии в меньших промышленных масштабах был бы нелегким, поскольку плазма при такой температуре расплавила бы любой физический контейнер. Поскольку плазма является электропроводящей, было очевидно, что ее можно удерживать магнитно, но правильное расположение полей не было очевидным. Энрико Ферми указал, что простой тороид заставит топливо вытекать из «бутылки». [3] Было изучено несколько вариантов, в частности, стелларатор, разработанный около 1950 года.
Альтернативным подходом была концепция «зажима», разработанная в Соединенном Королевстве . [3] В отличие от подходов магнитной бутылки , в устройстве с зажиманием необходимое магнитное поле создавалось самой плазмой. Поскольку плазма является электропроводящей, если бы кто-то пропустил ток через плазму, это создало бы индуцированное магнитное поле. Это поле через силу Лоренца будет действовать, чтобы сжать проводник. В случае плазмы сила сжала бы его в тонкую нить, «зажав» ее. Поскольку ток должен был быть очень большим, устройства с зажиманием не пытались ограничивать плазму в течение длительных периодов времени. Они пытались бы быстро достичь условий синтеза, а затем извлекать энергию из полученных горячих продуктов.
Технология пинча была запатентована в 1946 году Джорджем Пейджетом Томсоном и Мозесом Блэкманом , которые исследовали как линейные, так и тороидальные пинч-машины. Джим Так впервые познакомился с этими концепциями в январе 1947 года на встрече, организованной в Исследовательском центре атомной энергии в Харвелле . [4] [5] Так изучил работу Томсона-Блэкмана и пришел к выводу, что они не достигнут состояния синтеза, но, тем не менее, будут интересны в качестве экспериментальной системы. Работая в лаборатории Кларендона в Оксфордском университете , он организовал финансирование экспериментального устройства и начал его сборку. Прежде чем оно было завершено, его заманили в США предложением о работе в Чикагском университете (Иллинойс). [5]
Другие команды в Великобритании продолжили свои усилия. Томсон передал свои концепции Стэнли (Стэну) У. Казинсу и Алану Альфреду Уэру (1924-2010 [6] ), которые собрали линейное пинч-устройство с использованием старого радиолокационного оборудования и начали работу в 1947 году. Последующие эксперименты использовали большие батареи конденсаторов для хранения энергии, которая быстро сбрасывалась в плазму через соленоид, обернутый вокруг короткой трубки. Эти эксперименты продемонстрировали ряд динамических нестабильностей, которые заставляли плазму распадаться и ударяться о стенки трубки задолго до того, как она была сжата или нагрета достаточно для достижения требуемых условий синтеза. [3]
После недолгого пребывания в Чикаго Так был нанят Лос-Аламосом для работы над проектом «Супер» ( водородная бомба ), [5] где ему было поручено вычислить ядерное поперечное сечение реакции синтеза дейтерия и трития . Эта работа продолжала подогревать его интерес к термоядерной энергетике, и он провел некоторое время в 1951 году, размышляя над этой проблемой. [7]
В Лос-Аламосе Так познакомил американских исследователей с британскими разработками. К этому моменту Лайман Спитцер представил свою концепцию стелларатора и обсуждал эту идею в энергетическом сообществе, стремясь получить финансирование. В 1951 году он обратился в Комиссию по атомной энергии США (AEC) с просьбой профинансировать его проект. Так скептически отнесся к энтузиазму Спитцера и посчитал, что его агрессивная программа разработки была «невероятно амбициозной». [8] Так предложил гораздо менее агрессивную программу, основанную на пинче. Оба мужчины представили свои идеи в Вашингтоне, округ Колумбия, в мае 1951 года. В июле Спитцер получил 50 000 долларов, а Так был отправлен без финансирования. [8] Чтобы не отставать, Так убедил Норриса Брэдбери , директора Лос-Аламоса, выделить ему 50 000 долларов из дискреционного бюджета. [3]
Все еще не убежденный, что концепция сработает с первой попытки, он назвал этот подход, с участием Станислава Улама , «Пожалуйстатроном». [7] [9] Так собрал небольшую команду и, используя раздобытые детали и бюджетные деньги, построил первый «Пожалуйстатрон» в 1952/53 году. [3] «Пожалуйстатрон» использовал тороидальную трубку, изготовленную в местной стекольной мастерской. В середине тороида находился большой железный сердечник от трансформатора , который использовался для индукции тока в газе.
Возможнотрон быстро выявил те же проблемы, что и британские эксперименты. Независимо от того, насколько медленно добавлялся ток, как только он достигал критической точки, возникали нестабильности. В 1954 году Мартин Дэвид Крускал и Мартин Шварцшильд опубликовали критическую статью по этому вопросу, в которой предположили, что все устройства Z-пинча изначально нестабильны. [10] Так предложил добавить второе, постоянное магнитное поле, идущее продольно вдоль трубки, концепцию, которую он назвал «добавлением хребта к плазме». Было сделано несколько модификаций Возможнотрона для проверки вариаций этих концепций, но ни одна из них не оказалась плодотворной. [11]
За провалом «Aposeatron» последовал провал других устройств для пинча. Другая группа в Лос-Аламосе работала над другой машиной для быстрого пинча, известной как «Columbus», которая использовала электрические поля вместо магнитных, и давала те же результаты. Тем временем гораздо более крупная машина ZETA в Великобритании также потерпела неудачу, опубликовав результаты с большой помпой, заявив, что они успешно достигли синтеза. К 1961 году работа над устройствами для пинча Z в основном завершилась, хотя некоторые исследования по связанной концепции тета-пинча продолжались . [11]
Так никогда не ограничивался концепцией пинча и приложил значительные усилия к другим концепциям, что привело к шуткам в Лос-Аламосе по поводу его явно нецеленаправленной работы. [12] На протяжении многих лет он руководил разработкой нескольких других концепций, включая реактор с частоколом, новые концепции пинча и работу над основными устройствами.