.jpg/1280px-HD.6B.461_(11325494386).jpg)
Astron — это тип термоядерного энергетического устройства, впервые разработанного Николасом Кристофилосом и построенного в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе в 1960-х и 1970-х годах. Astron использовал уникальную систему удержания, которая позволила избежать нескольких проблем, присущих современным конструкциям, таким как стелларатор и магнитное зеркало . Разработка была значительно замедлена серией изменений в конструкции, которые были сделаны при ограниченном контроле, что привело к созданию комитета по рассмотрению для надзора за дальнейшей разработкой. Astron не смог достичь целевых показателей производительности, установленных для него комитетом; финансирование было отменено в 1972 году, а разработка свернута в 1973 году. Работа над аналогичными конструкциями, по-видимому, продемонстрировала теоретическую проблему в самой конструкции, которая предполагает, что она никогда не сможет быть использована для практической генерации.
Кристофилос наиболее известен тем, что самостоятельно изобрел концепцию сильной фокусировки , функцию, используемую в ускорителях частиц . Впервые он начал работать в этом направлении в конце 1940-х годов, когда управлял компанией по установке лифтов в Греции , [1] а в 1948 году он написал письмо в тогдашнюю Радиационную лабораторию Калифорнийского университета в Беркли, изложив несколько идей по фокусировке ускорителя. Когда они вернули его письмо, указав на несколько проблем, он решил их и написал снова. Это второе письмо было проигнорировано. В 1950 году Кристофилос подал заявку на патент, которая была выдана в 1956 году как патент США 2,736,799. [2]
Примерно в то же время Эрнест Курант , Милтон Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер из Брукхейвенской национальной лаборатории рассматривали ту же проблему и разработали то же самое решение, написав об этом в выпуске Physical Review от 1 декабря 1952 года . [3] Когда он увидел статью, Христофилос организовал поездку в США, прибыв туда два месяца спустя. Направляясь в Брукхейвен, он гневно обвинил их в краже идеи из его патента. Он также встретился с членами Комиссии по атомной энергии , и после встречи с его адвокатами они заплатили ему 10 000 долларов за патент. [4]
С покупкой патента пришла некоторая известность и достаточно денег, чтобы Христофилос смог войти в мир физики США. В апреле 1953 года он посетил встречу проекта Sherwood и представил еще одну идею, над которой он работал в Греции, Astron. [5]
Основная идея заключалась в том, чтобы вводить высокоэнергетические электроны в магнитное зеркало («резервуар»). Электроны будут захватываться зеркалом и создавать слой тока вблизи внешней поверхности объема резервуара, который он назвал «слоем E». Слой E сам по себе будет создавать мощное магнитное поле по мере его нарастания, и как только ток достигнет критической плотности, поля «перевернутся» и сложатся в новую конфигурацию замкнутых линий, которые образуют непрерывную область ограничения. После того, как слой E успешно сформируется, в область внутри него будет впрыскиваться термоядерное топливо и нагреваться путем взаимодействия с слоем E, чтобы довести его до температур термоядерного синтеза. [6]
Такое расположение решило одну из главных проблем базовой концепции магнитного зеркала, которая имела открытые силовые линии на концах. Топливо могло следовать по этим линиям прямо из реактора. Таким образом, зеркала естественным образом пропускали плазму , хотя конструкторы считали, что могут решить эту проблему, эксплуатируя машины при очень высоких температурах. На практике утечка оказалась даже выше, чем предполагала базовая теория, и никогда не достигала тех уровней, которых они надеялись достичь. [7]
В то время Шервуд все еще был секретным, что создавало проблемы, когда он впервые изложил концепцию. Перед тем, как он вышел на сцену, формулы с предыдущего сеанса на доске были тщательно стерты. Когда он заполнял доску своими собственными уравнениями, кто-то любезно показал ему кнопки, которые поднимали ее и открывали новое уравнение под ней. Это уравнение не было стерто, и это привело к поспешным усилиям по предотвращению утечки любого конфиденциального материала. Желая избежать повторения события, Христофилос получил работу в Брукхейвене, где он мог продолжить работу над теорией Астрона. [8]
.jpg/1280px-HD.6B.462_(11325558184).jpg)
В 1956 году Христофилос наконец получил допуск к секретной информации и немедленно переехал в то, что теперь называлось Ливерморской национальной лабораторией имени Лоуренса (LLNL), чтобы начать работу над концепцией Astron. Через два года был достигнут достаточный прогресс, и он смог представить идею на конференции «Атомы для мира» 1958 года в Женеве вместе с моделью системы, которую они предложили построить. Она состояла из двух основных частей: магнитной бутылки, где должна была удерживаться плазма, и ускорителя частиц, который обеспечивал релятивистские электроны. [9]
Несмотря на свой успех, Кристофилос всегда был аутсайдером в лаборатории. Time сообщал, что «у него до сих пор нет степени по физике, а его греческий акцент, греческая болтливость и любовь к страстным спорам делают его аутсайдером». [10] Это привело к трениям в физическом истеблишменте и ранним призывам к прекращению программы Astron. Обзор всех усилий по проекту Sherwood в 1963 году привел к формальным призывам к отмене. Однако у программы были сторонники в руководстве программы управляемого термоядерного синтеза, в частности Гленн Сиборг и Джон С. Фостер , оба с тесными связями в LLNL. Фостер, в частности, был обеспокоен группами в Вашингтоне, диктующими лабораториям ход разработки. После продолжительных споров было решено, что программе будет разрешено продолжаться, но к 1965 году необходимо будет продемонстрировать реверсирование поля. [11]
К 1963 году команда спроектировала и построила новый тип линейного индукционного ускорителя с требуемыми свойствами. Конструкция ускорителя вызвала интерес как оружие на основе пучка частиц, изучаемое в рамках проекта Seesaw. [12] Однако во время строительства команда поняла, что электроны могут свободно возвращаться в зону ускорителя. Христофилос решил эту проблему, введя резисторные провода, которые слегка замедляли электроны после входа в резервуар, поэтому они больше не обладали энергией, необходимой для обратного потока. [13]
После некоторой работы по устранению ошибок первые результаты были опубликованы в июне 1964 года. Ускоритель работал, работая при 4 МэВ и 120 амперах, и был подтвержден стабильный E-слой, хотя и генерирующий только 2 А/см тока, всего 0,05% от диамагнитного поля, необходимого для инверсии поля. [14] Работа продолжалась для достижения цели 1965 года по инверсии, но в конечном итоге потерпела неудачу. Однако электронный слой был стабилен, поэтому комитет Херба-Эллисона рекомендовал продолжить до следующего милевого столба. [15]
К 1967 году этот показатель был улучшен до 6%, но все еще был далек от стабильного E-слоя, которого требовало устройство. В 1968 году Кристофилос и Т. Кеннет Фаулер написали отчет с просьбой о более мощном ускорителе и модернизации резервуара. [16]
Средства на модернизацию в конечном итоге были предоставлены, но только ценой прямого надзора со стороны Специальной группы, созданной КАЭ. К этому моменту «обычные» конструкции, стелларатор и магнитное зеркало, уже давно работали на реальной плазме и медленно увеличивали давление и температуру. Астрон, с другой стороны, был все еще далек от создания своего первого полезного E-слоя, необходимого условия для экспериментов с плазмой. [17]
Специальная группа экспертов вернула отрицательный отчет, жалуясь на то, что слишком много усилий было вложено в эксплуатационные вопросы, такие как производительность ускорителя, при этом было приложено мало или совсем не приложено никаких усилий к теоретическим исследованиям того, будет ли плазма когда-либо стабильной, даже если можно будет сформировать E-слой. [18] Более того, группа экспертов указала, что никто серьезно не изучал, потребует ли работающий и стабильный Astron больше энергии для работы, чем он будет выделять. Это было серьезной проблемой в Astron, потому что его релятивистские электроны будут излучать большое количество энергии из-за электронного синхротронного излучения . [19]
Христофилос уже рассматривал это и предположил, что действующая конструкция будет использовать протоны вместо электронов и не будет страдать от того же уровня потерь энергии. Однако в то время такого ускорителя не существовало, и комиссия была весьма скептически настроена в отношении того, что его будет просто построить. [20]
Модернизация Astron продолжалась и началась в 1969 году. В этот период, следуя совету Комиссии, теоретические подразделения LLNL начали гораздо более серьезно рассматривать концепцию. Создавая компьютерные модели системы, они сначала занялись проблемой «складирования», когда отдельные импульсы электронов из ускорителя не накапливались в слое E, как ожидалось. Брюс Лэнгдон продемонстрировал, что складирование просто не будет работать. [21]
Однако предложение Фаулера спасло Astron от этой проблемы. Он заметил, что добавление второго магнитного поля, проходящего по центру резервуара, уменьшит величину внешнего поля, необходимого для создания E-слоя. Христофилос пошел дальше и начал испытания в 1971 году; это продемонстрировало значительное улучшение производительности как с уменьшением тока, так и с успехом в захвате электронов. Это также позволило наложить два импульса, увеличив поле до 15% диамагнитной силы. [21]
Пока Astron работал над несколькими импульсами, группа в Корнелльском университете работала над похожей конструкцией. Однако этот эксперимент с релятивистской электронной катушкой (RECE) использовал один длинный импульс электронов вместо концепции стекирования. В конце 1971 года они объявили, что достигли полного обращения поля. Христофилос не был впечатлен; эта конструкция не была бы полезна для генератора термоядерного синтеза в стационарном состоянии, только постоянное добавление импульсов могло бы поддерживать машину. [22]
Столкнувшись с продолжающимися проблемами с Astron и кажущейся легкостью, с которой команда RECE сумела достичь целей, изначально предложенных в 1968 году, вторая специальная группа опубликовала уничтожающий отчет. Среди проблем, которые они отметили, команда Astron искала «изобретательные способы избежать или обойти трудности, а не понять их». [23] Рой Гулд , руководитель программы управляемого термоядерного синтеза AEC, был категоричен в разрешении продолжения проекта Astron, но только если он достигнет ряда целей в определенные сроки. [24]
Когда Роберт Хирш в 1972 году принял на себя управление контролируемым термоядерным синтезом в AEC, он инициировал всеобъемлющий обзор для классификации изучаемых подходов и устранения дублирования и проектов с низкой окупаемостью. Учитывая захватывающие результаты с токамаком, выпущенным в 1968 году, Хирш отдал предпочтение программе с относительно небольшим количеством проектов, каждому из которых были предоставлены гораздо большие бюджеты. [25] Многие программы, такие как Astron, просто не имели никакой краткосрочной окупаемости, и Хирш стремился отменить их.
24 сентября 1972 года Христофилос встретился с Джеймсом Шлезингером из AEC, но никаких записей о встрече не сохранилось. После долгого дня он отправился в местный Holiday Inn, чтобы сэкономить на долгой дороге домой. Той ночью у него случился сильный сердечный приступ, и он умер. [24]
Ричард Бриггс взял на себя руководство проектом до запланированной даты его закрытия в июне 1973 года. Под его руководством Astron вернулся к изучению нового стабилизирующего поля, введенного Фаулером, и, используя одиночные более крупные импульсы, устройство достигло 50% диамагнитной силы, что намного больше, чем усилия Кристофилоса с цепочками импульсов. В их окончательном отчете говорилось, что «наращивание E-слоя путем многократной инъекции импульсов в целом было безуспешным», и отмечалось, что на момент закрытия они все еще не понимали, какая физическая проблема ограничивала наращивание. [26]
Хотя Astron закрыли, работа с RECE в Корнелле продолжалась некоторое время. В рамках своей работы команда попыталась перейти от электронов к протонам. Однако, как некоторые подозревали, «P-слой» оказалось трудно построить, и инверсия поля с протонами так и не была достигнута. Последняя версия этой попытки, FIREX, закрылась в 2003 году, продемонстрировав то, что, по-видимому, является чисто теоретической причиной того, почему концепция Astron никогда не сработает. [27]
Релятивистское электронное кольцо также сыграло свою роль в конструкции ухабистой тора . Это была еще одна попытка «заткнуть концы» зеркал, соединив несколько зеркал встык, чтобы сформировать тор. Электроны были доведены до высоких энергий не путем прямой инжекции, а внешним микроволновым электронно-циклотронным нагревом (ECH). [28]
Устройство Astron состояло из двух секций: линейного ускорителя и магнитного зеркала «резервуара». Они были сконструированы под прямым углом, а выход ускорителя выстреливал в сторону резервуара с одного конца. [29]
Бак был относительно простым примером концепции магнитного зеркала , состоящим в основном из длинного соленоида с дополнительными обмотками на обоих концах для увеличения магнитного поля в этих областях и формирования зеркала. [30] В простом зеркале ионы в топливной плазме вводились под углом, поэтому они не могли просто вытекать прямо из концов, где поле было примерно линейным. Однако на обоих концах имелась кольцевая область, откуда могли выходить ионы нужной энергии, и различные расчеты показали, что скорость будет довольно высокой.
Впрыскивая электроны в зеркало перед топливом, слой E создавал второе магнитное поле, которое заставляло кольцевые области складываться обратно в центр бака. Полученное поле имело форму трубки и очень напоминало Field-Reversed Configuration (FRC). [30] Главное различие между этими устройствами заключается в способе достижения инверсии поля: с помощью слоя E в Astron и токов в плазме для FRC. Как и классическое зеркало, Astron впрыскивал электроны в зеркало под небольшим углом, чтобы гарантировать, что они будут циркулировать в центре зеркала. [29]
Сегодня Astron часто считают подклассом концепции FRC. [31]