Тета-пинч , или θ-пинч , — это тип конструкции термоядерного энергетического реактора. Название относится к конфигурации токов, используемых для удержания плазменного топлива в реакторе, организованных так, чтобы они бежали вокруг цилиндра в направлении, обычно обозначаемом как тета в полярных координатных диаграммах. Название было выбрано, чтобы отличать его от машин, основанных на эффекте пинча , которые организовывали свои токи, текущие по центру цилиндра; они стали известны как машины z-пинча , ссылаясь на ось Z в декартовых координатах .
Тета-пинч был разработан в основном в Соединенных Штатах, в основном в Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL) в серии машин, известных как Scylla. В 1958 году Scylla I была первой машиной, которая наглядно продемонстрировала термоядерные реакции синтеза дейтерия контролируемым образом. Это стало одним из основных направлений исследований термоядерного синтеза в 1960-х годах. General Electric и Военно-морская исследовательская лаборатория также экспериментировали с этой концепцией, а позже и многие международные лаборатории. Серию машин завершила Scylla IV, которая продемонстрировала температуры до 80 миллионов К , более чем достаточно для поддержания горящей плазмы. Во время этих запусков Scylla IV произвела миллиарды реакций синтеза.
Машины Scylla также продемонстрировали очень плохое время удержания, порядка нескольких микросекунд. Считалось, что это было связано с потерями на концах линейных трубок. Scyllac (Scylla-closed) был разработан для испытания тороидальной версии, которая улучшила бы удержание в тысячу раз. Ошибка проектирования привела к тому, что Scyllac не смог даже приблизиться к желаемым показателям, и Комиссия по атомной энергии США закрыла программу в 1977 году, чтобы сосредоточиться на токамаке и магнитном зеркале .
Некоторое отсутствие интереса к тета с 1970-х годов связано с вариацией конструкции, известной как конфигурация с обращенным полем , или FRC, которая подверглась значительному исследованию. В этой версии индуцированные магнитные поля уговариваются принять замкнутую форму, которая обеспечивает лучшее удержание. Различий достаточно, чтобы FRC считались отдельной концепцией. Аналогично, тета-пинч часто наблюдается в системах термоядерного синтеза с намагниченной мишенью , но они также значительно отличаются от первоначальной концепции.
Ядерный синтез происходит, когда ядра , протоны и нейтроны , сближаются достаточно близко друг к другу, чтобы ядерная сила стянула их в одно большее ядро. Противоположностью этому действию является электростатическая сила , которая заставляет электрически заряженные частицы с одинаковыми зарядами, такие как протоны, отталкиваться друг от друга. Чтобы слиться, частицы должны двигаться достаточно быстро, чтобы преодолеть этот кулоновский барьер . Ядерная сила увеличивается с числом ядер, а кулоновский барьер снижается, когда число нейтронов в ядрах максимизируется, что приводит к тому, что скорость синтеза максимизируется для изотопов более легких элементов, таких как водород и гелий с дополнительными нейтронами. [1]
Используя классический электромагнетизм , энергия, необходимая для преодоления кулоновского барьера, была бы огромной. Расчеты значительно изменились в 1920-х годах, когда физики исследовали новую науку квантовую механику . Статья Джорджа Гамова 1928 года о квантовом туннелировании продемонстрировала, что ядерные реакции могут происходить при гораздо более низких энергиях, чем предсказывала классическая теория. Используя эту новую теорию, в 1929 году Фриц Хаутерманс и Роберт Аткинсон продемонстрировали, что ожидаемые скорости реакций в ядре Солнца подтверждают предположение Артура Эддингтона 1920 года о том, что Солнце питается энергией от синтеза. [1] В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд были первыми, кто добился синтеза на Земле, используя ускоритель частиц для выстреливания ядер дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий, литий и другие элементы. [2] Это позволило им измерить ядерное поперечное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий происходит при самой низкой энергии, достигая пика примерно при 100 000 электронвольт (100 кэВ). [3]
Эта энергия соответствует средней энергии частиц в газе, нагретом примерно до 10 миллиардов Кельвинов (К). Материалы, нагретые выше нескольких тысяч К, диссоциируют на свои электроны и ядра , создавая газообразное состояние вещества , известное как плазма . В любом газе частицы имеют широкий диапазон энергий, обычно следуя статистике Максвелла-Больцмана . В такой смеси небольшое количество частиц будет иметь гораздо более высокую энергию, чем основная масса. [4] Это приводит к интересной возможности; даже при средних температурах значительно ниже 100 кэВ некоторые частицы в газе будут случайным образом иметь достаточно энергии, чтобы подвергнуться синтезу. Эти реакции выделяют огромное количество энергии. Если эту энергию можно будет захватить обратно в плазму, она может нагреть другие частицы до этой энергии, что сделает реакцию самоподдерживающейся. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что это произойдет примерно при 50 миллионах К для дейтерий-тритиевого топлива. [5] [6] [a]
Чтобы воспользоваться этой возможностью, необходимо, чтобы топливная плазма удерживалась вместе достаточно долго, чтобы эти случайные реакции успели произойти. Как и любой горячий газ, плазма имеет внутреннее давление и, таким образом, стремится расширяться в соответствии с законом идеального газа . [4] Для термоядерного реактора проблема заключается в том, чтобы удерживать плазму против этого давления; любое известное вещество расплавилось бы при этих температурах. [7] Поскольку плазма состоит из свободно движущихся заряженных частиц, она является электропроводящей . Это делает ее подверженной воздействию электрических и магнитных полей. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг линий магнитного поля. [7] [8] [9] Простая система удержания представляет собой заполненную плазмой трубку, помещенную внутрь открытого сердечника соленоида . Плазма естественным образом стремится расширяться наружу к стенкам трубки, а также двигаться вдоль нее к концам. Соленоид создает магнитное поле, проходящее по центру трубки, вокруг которого будут вращаться частицы, предотвращая их движение к сторонам. К сожалению, эта конструкция не ограничивает плазму по длине трубки, и плазма может свободно вытекать из концов. Для чисто экспериментальной машины потери не обязательно представляют собой серьезную проблему, но производственная система должна будет исключить эти конечные потери. [10]
В первые дни программы термоядерного синтеза быстро появились три конструкции, которые решали эти проблемы. Стелларатор был довольно сложным устройством, но имел некоторые привлекательные качества. Устройства с магнитным зеркалом и эффектом пинча были значительно проще, первый состоял из модифицированного соленоида, а последний фактически являлся мощной версией люминесцентной лампы . В частности, пинч казался чрезвычайно простым решением проблемы ограничения и активно изучался в лабораториях США, Великобритании и СССР. [11]
Когда эти машины начали испытывать на более высоких уровнях ограничения, значительная проблема быстро стала очевидной. Когда ток был подан и плазма начала сжиматься в столб, она становилась нестабильной, извиваясь и в конечном итоге ударяясь о стенки трубки. Вскоре было выяснено, что это было связано с небольшими различиями в плотности газа; когда был применен разряд, области, где плотность была даже немного выше, имели более высокий ток и, следовательно, большее магнитное давление. Это заставляло эту область сжиматься быстрее, увеличивая плотность еще больше, и цепная реакция, известная как «перегиб», выталкивала ее из области ограничения. [11]
В начале 1950-х годов все эти усилия были секретными. Это закончилось в 1956 году, когда Игорь Курчатов , директор советских усилий по атомной бомбе , предложил выступить с докладом перед своими британскими коллегами. К всеобщему большому удивлению, Курчатов обрисовал советскую программу термоядерного синтеза, говоря в основном о линейных пинчах и больших проблемах, которые они испытывали со стабильностью плазмы. Британцы уже знали, что у США были похожие проблемы, и у них были свои собственные. Теперь оказалось, что быстрого пути к термоядерному синтезу не существует, и были предприняты усилия по рассекречиванию всей этой области. Все три страны опубликовали свои исследования в 1958 году на второй встрече «Атомы для мира» в Женеве. [12]
Одним из подходов к решению проблем устойчивости, наблюдаемых в пинч-машинах, была концепция «быстрого пинча». В этом подходе электрический ток, который генерировал пинч, подавался в виде одного короткого импульса. Этот импульс был слишком коротким, чтобы вызвать коллапс всей плазмы, вместо этого сжимались только внешние слои, и так быстро, что образовывалась ударная волна . Цель состояла в том, чтобы использовать эту ударную волну для сжатия плазмы вместо обычного пинча, который пытался коллапсировать весь плазменный столб. [13]
Зеркало и стелларатор не сжимали свою плазму в какой-либо значительной степени и, по-видимому, не страдали от проблем со стабильностью. Однако у этих устройств была практическая проблема. В системе пинча коллапс плазмы вызывал ее нагревание, что означало, что ток обеспечивал как силу удержания, так и тепло, необходимое для начала реакций синтеза. С другими устройствами требовался какой-то внешний источник нагрева. Ричард Пост , руководитель программы США по зеркалам в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL), создал серию зеркал, которые использовали внешние магниты для сжатия плазмы. [14]
В Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL) Алан Колб увидел концепцию сжатия зеркала и придумал идею объединить ее с ударным сжатием быстрого пинч-подхода, получив преимущества обоих. Его первая концепция состояла из зеркала с металлическим кольцом на обоих концах. После того, как в зеркале образовалась плазма, в два кольца посылался один огромный всплеск тока. Идея состояла в том, чтобы вызвать быстрое пинч-сотрясение на обоих концах трубки, создавая ударные волны, которые двигались бы внутрь и встречались в середине зеркала. [13]
Когда они рассматривали эту конструкцию, совершенно новый подход представился сам собой. В этой версии пинч был индуцирован через один широкий лист меди, обернутый один раз вокруг трубки. При подаче питания ток протекал вокруг внешней стороны трубки, создавая магнитное поле под прямым углом, бегущее по длинной оси трубки. Это поле, в свою очередь, индуцировало ток, текущий вокруг внешней стороны плазмы, или «пограничной зоны». [15]
Согласно закону Ленца , этот ток будет иметь направление, которое создает магнитное поле в противоположном направлении к тому, которое его создало. Это имело эффект выталкивания исходного поля из плазмы к полю в медном листе. Именно взаимодействие между этими двумя полями в области между плазмой и стенкой контейнера создало движущую силу, которая сжала плазму. Поскольку в объеме плазмы не было тока, она не подвергалась бы нестабильностям, наблюдаемым в других устройствах с зажимом. [13]
Когда новый дизайн стал известен в энергетических лабораториях, Джеймс Л. Так из Лос-Аламоса окрестил его тета-пинчем [16], чтобы отличить его от оригинального подхода пинча. Оригинальные конструкции пинча задним числом стали известны как z-пинч. [13] Другие также проявили интерес к дизайну; в General Electric (GE) была сформирована небольшая группа, чтобы рассмотреть концепцию в качестве основы для реактора, вырабатывающего энергию. [17]
Британский ZETA был запущен в августе 1957 года, и к концу следующего месяца команда постоянно измеряла вспышки миллионов нейтронов. Визит Курчатова годом ранее предостерег от слишком поспешных выводов о том, что нейтроны в системе являются результатом синтеза, и что существуют другие реакции, которые могут их производить. Команда ZETA не рассмотрела это достаточно тщательно и пришла к убеждению, что они произвели реакции синтеза. Они опубликовали это в прессе 25 января 1958 года, и это немедленно стало новостью мирового масштаба. [18] Однако дальнейшая работа в апреле ясно показала, что нейтроны были не результатом синтеза, а нестабильностью в плазме, которую нельзя было увидеть на их испытательном оборудовании. [19]
В NRL Колб начал строительство новой версии своей машины Pharos для проверки концепции одного кольца. [b] В то же время в Лос-Аламосе Так начал строительство системы с двумя кольцами, похожей на оригинальное зеркало Колба. [20] Любя мифологические имена, Так назвал конструкцию Сциллой. [16] Scylla I начала работу в начале 1958 года и вскоре стала испускать десятки тысяч нейтронов за импульс. Именно в это время Кит Бойер начал модификацию для использования одновитковой катушки, такой как Pharos. Когда новая версия была запущена, она начала испускать десятки миллионов нейтронов. [15]
События, окружавшие заявления ZETA, заставили команду Scylla полностью убедиться, что нейтроны были получены в результате синтеза, и команда провела лето 1958 года, выполняя всевозможные независимые измерения с этой целью. К этому времени Pharos Колба также производил нейтроны. Целью было получить окончательные результаты так или иначе к моменту встречи в Женеве. [15] К сожалению, времени просто не хватило; команда отправила Scylla I на выставку в сентябре и упомянула, что она генерирует около 20 миллионов нейтронов за выстрел, [21] но постаралась не делать никаких заявлений относительно их происхождения. [22]
Окончательное доказательство было предоставлено вскоре после шоу. Широкий спектр экспериментов на системе показал, что ионы термализовались при температуре около 15 миллионов Кельвинов, что намного горячее, чем ZETA, и достаточно горячо, чтобы объяснить нейтроны, если они были из реакций синтеза. Это было первое четкое доказательство того, что термоядерные реакции синтеза дейтерия в лабораторных условиях возможны. [23] [24]
Обеспокоенный постоянно растущей стоимостью программы термоядерного синтеза, Пол Макдэниел, директор отдела исследований Комиссии по атомной энергии США (AEC), решил, что бюджет на 1963 финансовый год должен отменить одну из многих разработок, разрабатываемых в лабораториях. Так утверждал, что все исследователи должны сосредоточиться только на небольших системах, чтобы доказать физику, что нет смысла в масштабировании, если не будут продемонстрированы основы. Таким образом, в Лос-Аламосе было большое количество небольших машин, что не оставило им единой концепции «пан или пропал». Макдэниел понес бы наименьшие политические последствия, если бы отменил одну из программ Лос-Аламоса. Это преподало Таку важный урок: способ избежать отмены — быть слишком большим, чтобы потерпеть неудачу . Во время дачи показаний Конгрессу в 1964 году он заявил: «Мы сопротивлялись искушению строить огромные машины или нанимать большой штат сотрудников. Это звучит очень добродетельно, но теперь я понял, что это самоубийственно». [25] Так, Ричард Ташек и директор Лос-Аламоса Норрис Брэдбери были убеждены, что лаборатории нужна крупная машина. [25]
Между тем, успех Scylla I привел к ряду потенциальных путей развития, которые начали изучаться в начале 1960-х годов. В краткосрочной перспективе набор незначительных усовершенствований произвел Scylla II, которая была похожа на оригинал, но позже была модернизирована с 35 кДж мощности конденсатора до 185. Она была запущена в эксплуатацию в 1959 году, но использовалась только недолго, пока была построена и введена в эксплуатацию гораздо более крупная Scylla III в конце 1960 года. Ранние операции были успешными и быстро привели к еще более крупной Scylla IV, которая начала работу в январе 1963 года. Scylla IV показала превосходные результаты, достигнув 80 миллионов Кельвинов и плотности частиц 2 x 10 16 [26] — в практической области реактора — и производила миллиарды реакций за импульс. [23] К сожалению, система также продемонстрировала очень низкое время удержания, порядка 2 микросекунд, слишком короткое для практической конструкции реактора. [26]
В 1960-х годах тета-пинч стал одной из ведущих программ в области термоядерного синтеза. Новые команды были созданы в Олдермастоне и недавно открытом Калхэме в Великобритании, кампусе Гархинг и исследовательском центре Юлих в Германии, национальных лабораториях Фраскати в Италии, а также в Университете Нагоя , Университете Осаки и Университете Нихон в Японии. [27] [28] Эти эксперименты продемонстрировали, что система подвержена новой форме нестабильности, нестабильности m = 2, которая заставляет плазму истончаться от своего первоначального цилиндра до формы, похожей на штангу. Это привело к многочисленным экспериментам с различными схемами, чтобы предотвратить вращение плазмы, вызывающее эту нестабильность. [24]
Примерно в это же время General Electric откланялась. Поскольку казалось, что в краткосрочной перспективе прорыв в производительности невозможен, для продолжения исследований потребуются более крупные машины, которые они не были готовы построить, используя только внутреннее финансирование. Обзор этой области был опубликован под руководством Лесли Кука, в котором был сделан вывод: «Вероятность разработки экономически успешной термоядерной электростанции в обозримом будущем мала». GE обратилась за финансированием к AEC, но оно было отклонено, поскольку их программа, по-видимому, не предлагала ничего нового по сравнению со Scylla IV. Затем GE свернула свою программу. [29]
Исследователи были убеждены, что короткое время удержания было обусловлено потерями частиц из открытых концов реактора. В 1965 году Фред Райб, сменивший Така на посту руководителя команды Scylla, начал изучать практические реакторы, основанные на схеме Scylla. Они обнаружили, что систему можно улучшить, используя воспроизводящее одеяло в качестве своего рода магнитного проводника, что позволило бы внешней подаче тока быть гораздо менее интенсивной, поскольку она будет усиливаться по мере прохождения через металлическое одеяло. Чтобы конструкция работала с заданными скоростями потерь на концах, она должна была быть чрезвычайно длинной — расчеты предполагали, что она должна была составлять 500 метров (1600 футов) для достижения требуемого 3-миллисекундного удержания, требуемого критерием Лоусона . [30] Это, в свою очередь, потребовало бы невероятно большого источника питания. [31]
Проблема с конечным потоком проще всего решается путем изгиба экспериментальной трубки вокруг, чтобы сформировать форму тора (бублика или кольца). В этом случае частицы, текущие вдоль длинной оси устройства, больше ни с чем не сталкиваются и могут циркулировать вечно. Однако с самых первых дней попыток термоядерного синтеза было продемонстрировано, что эта конфигурация нестабильна: когда к такому контейнеру прикладывается магнитное поле, из-за чисто геометрии поле внутри кривой сильнее, чем снаружи, что приводит к неравномерным силам внутри плазмы, которые заставляют ионы и электроны дрейфовать от центра. [32] [30] Было предложено несколько решений этой проблемы, в частности, оригинальные пинч-машины. В них внутренняя сила пинч-тока была значительно сильнее силы дрейфа, поэтому это не было проблемой. Другим решением был стелларатор, который циркулировал частицы, так что они проводили время внутри и снаружи трубки, чтобы уравновесить дрейф. [33]
В 1958 году Мейер и Шмидт в Гархинге предложили другое решение. Они отметили, что ключевым требованием для стабильности в тороиде было то, чтобы общая длина пути внутри и снаружи кривой была одинаковой. Стелларатор обеспечивал это путем циркуляции частиц, добавляя вращательное преобразование . Мейер и Шмидт предложили сделать это путем модификации магнитов, чтобы создать поле, которое больше не было однородным при движении вокруг тора; вместо этого поле сжималось, а затем расширялось, создавая поле, похожее на звено сосисок. Поле было изогнуто внутрь больше на внутренней кривой, делая ее длиннее, и, таким образом, общая длина пути внутри и снаружи была одинаковой. [31]
Поскольку машины тета-пинча начали продвигаться в область, где концевые потери теперь были ограничением для дальнейших исследований, концепция, по-видимому, предлагала способ переместить тета-пинч в тороидальную компоновку, которая все еще достаточно отличалась от стелларатора, чтобы быть интересной. Это решение не рассматривалось очень глубоко, учитывая простоту концепции стелларатора по сравнению с более сложной компоновкой магнита, необходимой для гофрированной версии Мейера и Шмидта. [34] Дальнейшее исследование выявило дополнительные нестабильности, но предсказанный дрейф от них был медленным и мог быть устранен с помощью динамической стабилизации. [31]
Поскольку команда из Лос-Аламоса хотела получить большую машину для обеспечения постоянного финансирования, они предложили большую тороидальную тету в качестве своего следующего устройства, не просто как большую экспериментальную систему, но и как потенциальную демонстрацию системы производства энергии. [25] К 1965 году LANL предложила такую машину под названием Scylla V. [35]
Амаса Стоун Бишоп недавно принял управление термоядерным синтезом в AEC от Артура Руарка и сформировал комиссию для рассмотрения предложения Scylla V, в которую вошли члены команд NRL и GE theta. Они пришли к выводу, что нет убедительных доказательств того, что наблюдаемые потери энергии были вызваны потерями на концах, и выразили обеспокоенность относительно эффективности динамической стабилизации, а также возможности того, что требуемые для нее изменяющиеся поля могут просто вызвать новые нестабильности. Комиссия настоятельно рекомендовала построить еще одну линейную машину длиной 15 метров (49 футов) для проверки внедряемых концепций. [36] Тем не менее, при отсутствии других проектов, система была одобрена, но при условии, что она будет нацелена на исследование режима высокой беты, а не как прототип энергетического реактора. Это ознаменовало начало перехода управления общими целями программы в Вашингтон. [37]
Один из членов комиссии, Гарольд Град , был хорошо известен как эксперт по физике и стабильности плазмы. По возвращении в Нью-Йорк он начал читать все опубликованные материалы по концепции тета-пинча и пришел к выводу, что динамическая система стабилизации, скорее всего, не будет работать и будет чрезвычайно сложной, даже если бы она работала. Вместо этого он предложил использовать спиральные магниты, подобные тем, которые добавляются в недавние стеллараторы, поскольку они, по-видимому, были естественным образом стабильны. Он назвал полученную систему «высоко-бета-стелларатором», где бета является мерой магнитной силы в плазме, которая будет намного выше в пинчевом устройстве. [34]
Лос-Аламос проявил огромный интерес к работе Града и предложил ему полностью ее развить с целью представления на следующем трехгодичном совещании по исследованию термоядерного синтеза, которое должно было состояться в августе 1968 года в Новосибирске . По мере того, как команда продолжала работать, было обнаружено несколько новых и тревожных нестабильностей, и стало ясно, что спиральные магниты в конечном итоге не более стабильны, чем первоначальная концепция Мейера-Шмидта. Пришлось добавить еще один набор динамического демпфирования, [38] на этот раз тот, который должен был реагировать в течение характерного времени, T . [36]
Именно на встрече в Новосибирске советская делегация опубликовала новые результаты по своим токамакам , которые демонстрировали значительные улучшения по сравнению со всеми предыдущими устройствами. Сначала результаты были отклонены из-за отсутствия надлежащего оборудования, и разгорелись яростные дебаты по поводу того, были ли результаты надежными. [39]
Советы придумали убедительное решение, чтобы продемонстрировать, работает ли их конструкция. В 1960-х годах Великобритания разработала метод прямого измерения температуры частиц в плазме с помощью лазерной системы. Лев Арцимович пригласил команду привезти свое устройство в Курчатовский институт и независимо измерить производительность. Система потребовала месяцев настройки и калибровки, но к началу лета 1969 года стало ясно, что токамак действительно работает так, как описано. [40]
Это поставило США в неудобное положение отстающих в гонке за термоядерный синтез. Сначала лаборатории отказались рассматривать возможность строительства токамаков, представив длинный список причин, по которым они были хуже. В мае 1969 года директор подразделения термоядерного синтеза AEC Ташек написал Бишопу, заявив, что, по его мнению, США должны ответить своими собственными устройствами, которые имели наилучшие шансы показать приемлемую производительность, и что «неизбежно, что это Scyllac и 2X! Они лучше всего, что есть у нас в США». [36] [c] Все еще обеспокоенные тем, что программа Scyllac пыталась решить слишком много проблем одновременно, AEC повторили свое предложение о том, чтобы сначала было построено линейное устройство. [36]
К концу октября 1969 года, когда результаты токамака должны были быть обнародованы в следующем месяце, США начали собственную программу токамака. Это поставило Scyllac в положение, когда ему пришлось не только демонстрировать свои цели с точки зрения стабильности, но и конкурировать с этими машинами, которые уже продемонстрировали превосходную производительность. Это давало возможность, что линейная версия может быстро выдать результаты со значениями, которые конкурируют с токамаком. Как выразился Ташек в середине 1970 года, «может быть некоторая реальная тактическая и ударная заслуга в том, чтобы отметить, что линейный тета-пинч... внесет большой вклад в nτ- дерби, которое, похоже, не возникло в короткие сроки». [36]
Несмотря на то, что, казалось бы, было согласием относительно целесообразности строительства сначала линейной версии длиной 15 м, Рибе решил, что будет лучше построить Силлак как можно быстрее. Чтобы сделать это, в феврале 1969 года он набросал план, в котором более короткое линейное устройство длиной 10 метров (33 фута) будет построено одновременно с сектором Сциллака в 120 градусов, который будет использоваться для изучения того, как построить машину в целом. К 1970 году он еще больше изменил эти планы, чтобы уменьшить линейное устройство до всего лишь 5 метров (16 футов) с зеркалами по 2 метра (6 футов 7 дюймов) на каждом конце, чтобы улучшить время удержания. [36]
В 1972 году Роберт Л. Хирш принял от Бишопа программу термоядерного синтеза в AEC. С учетом последних достижений в области производительности токамака, указывающих на возможность разработки промышленного проекта, Хирш начал переоценивать программу на основе как производительности, так и экономики. Хотя токамак имел превосходную производительность, зеркала, разрабатываемые в Лоуренсе Ливерморе, были бы гораздо менее дорогими в строительстве и эксплуатации, и эти два устройства стали центром его планов. Чтобы сохранить свой проект в рабочем состоянии, Лос-Аламос решил быстро двигаться вперед с тороидальной секцией, чтобы доказать, что их подход также заслуживает рассмотрения. [41]
Эксперименты на первом секторе начались в апреле 1971 года и продемонстрировали, что общая устойчивость была достигнута, что вызвало большое празднование в лаборатории. Следующим шагом было добавление системы устойчивости с обратной связью. К этому времени Кен Томассен из Массачусетского технологического института провел дополнительные расчеты, которые показали, что обратная связь не будет работать при радиусе текущей конструкции. В конце 1972 года Рибе решил решить эту проблему, увеличив диаметр Scyllac с 4,8 метров (16 футов) до 8 метров (26 футов), уменьшив кривизну и, таким образом, требуемый уровень обратной связи. Это уменьшило критический параметр T до 0,9 микросекунд — все, что ниже 1, будет работать. [42]
Примерно в это же время Робин Гриббл, который в первую очередь отвечал за программу обратной связи, был назначен на другой проект в Лос-Аламосе. По мере разработки программы два изменения в макете привели к увеличению параметра T. Из-за отсутствия кого-либо, кто напрямую отвечал бы за обратную связь программы, это осталось незамеченным. Эксперименты на Scylla IV и исходном сегменте закончились, поскольку вся команда сосредоточилась на новой увеличенной конструкции, поэтому дополнительных проблем обнаружено не было. [42]
Syllac был открыт в апреле 1974 года. К октябрю стало ясно, что система обратной связи не работает. Именно в этот момент они пересчитали значение T и обнаружили, что оно равно 1,5. Хуже того, дальнейшая работа над базовой теорией показала, что значение 1 недостаточно хорошее, и требовались значения, близкие к 0,5. Последним ударом стало то, что общая стабильность, наблюдаемая в исходном сегменте в 1971 году, оказалась иллюзорной; в более крупной машине было видно, что плазма медленно дрейфует. Система стабильности едва могла остановить это, не говоря уже о том, чтобы исправить более быстрые нестабильности. [42]
Провал Scyllac оставил США только с собственной программой токамака, сосредоточенной в Принстоне, и программой зеркала в Ливерморе. Лос-Аламос попытался еще одно решение для спасения системы, повторно введя в эксплуатацию Scylla IV с физическими стопорами на концах, используя легкие металлы. Эта Scylla IV-P улучшила время удержания с 9 до 29 микросекунд, что является трехкратным улучшением. Но этого было далеко не достаточно, чтобы попасть в миллисекундный диапазон, необходимый для производственного реактора. После двух десятилетий усилий лучшие результаты программы тета были лишь незначительным улучшением по сравнению с результатами оригинальной серии Scylla. [24]
В 1960-х годах несколько групп заметили, что их эксперименты с тета иногда показывали улучшенное время удержания. Это происходило, когда магнитное поле перестраивалось, когда внешний импульс ослабевал до нуля. В то время такое поведение обычно считалось нежелательным, хотя оно имело преимущество, вызывая повышение температуры ионов по мере складывания полей, и именно это действие повышало температуру до точки, где происходил синтез. [43]
В 1972 году Джон Брайан Тейлор опубликовал серию статей на тему сохранения магнитного поля и инверсий потока, которые были замечены на ZETA, но не оценены в то время. Это привело к концепции обратного пинча поля , которая развивалась в течение 1970-х и 80-х годов. Тот же самый базовый механизм вызывал инверсию поля, наблюдаемую в устройствах тета, но конечным результатом была другая схема. [43]
В начале 1970-х годов Курчатовский институт продемонстрировал стабильное удержание в течение длительных периодов времени, уменьшив мощность пинча и добавив дополнительные магниты на конце линейной трубки для содействия инверсии поля. Публикация их работы по этим плазмам с конфигурацией обращенного поля (FRC) привела к тому, что тема приобрела значительный интерес, с новыми усилиями в США и Японии. Хотя технически это тета-пинчи из-за их расположения, эта концепция считается отдельной и отдельным подходом к термоядерной энергии. [43]