ZETA , сокращение от Zero Energy Thermonuclear Assembly , был крупным экспериментом в ранней истории исследований термоядерной энергии . Основанный на технике удержания плазмы пинчем и построенный в Исследовательском центре атомной энергии в Соединенном Королевстве, ZETA был больше и мощнее любой термоядерной машины в мире того времени. Его целью было производить большое количество реакций термоядерного синтеза, хотя он был недостаточно большим, чтобы производить чистую энергию.
ZETA была введена в эксплуатацию в августе 1957 года, и к концу месяца она выдавала импульсы около миллиона нейтронов за импульс. Измерения показали, что топливо достигало от 1 до 5 миллионов кельвинов , температуры, которая могла бы вызвать реакции ядерного синтеза , что объясняет количество наблюдаемых нейтронов. Первые результаты просочились в прессу в сентябре 1957 года, а в январе следующего года был опубликован обширный обзор. Статьи на первых полосах газет по всему миру объявляли об этом как о прорыве к неограниченной энергии, научном достижении для Великобритании, большем, чем недавно запущенный спутник для Советского Союза .
Американские и советские эксперименты также давали похожие нейтронные вспышки при температурах, которые были недостаточно высокими для синтеза. Это заставило Лаймана Спитцера выразить свой скептицизм по поводу результатов, но его комментарии были отклонены британскими наблюдателями как ура-патриотизм . Дальнейшие эксперименты на ZETA показали, что первоначальные измерения температуры были обманчивыми; температура массы была слишком низкой для реакций синтеза, чтобы создать наблюдаемое количество нейтронов. Заявление о том, что ZETA произвела синтез, пришлось публично отозвать, что стало неловким событием, которое бросило холодок на все сообщество термоядерных ученых. Позднее нейтроны были объяснены как продукт нестабильности в топливе. Эти нестабильности, по-видимому, присущи любой подобной конструкции, и работа над базовой концепцией пинча как пути к термоядерной энергетике завершилась к 1961 году.
Несмотря на неудачу ZETA в достижении синтеза, устройство продолжало иметь длительный экспериментальный срок службы и произвело множество важных достижений в этой области. В одном направлении развития, использование лазеров для более точного измерения температуры было проверено на ZETA и позже использовалось для подтверждения результатов советского подхода токамака . В другом, при изучении тестовых запусков ZETA было замечено, что плазма самостабилизировалась после отключения питания. Это привело к современной концепции обратного пинча поля . В более общем плане, исследования нестабильностей в ZETA привели к нескольким важным теоретическим достижениям, которые составляют основу современной теории плазмы.
Базовое понимание ядерного синтеза было разработано в 1920-х годах, когда физики исследовали новую науку квантовую механику . Исследование квантового туннелирования Джорджем Гамовым в 1928 году показало, что ядерные реакции могут происходить при более низких энергиях, чем предсказывала классическая теория. Используя эту теорию, в 1929 году Фриц Хоутерманс 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] [2]
В 1934 году Марк Олифант , Пол Хартек и Эрнест Резерфорд первыми осуществили термоядерный синтез на Земле, используя ускоритель частиц для выстреливания ядрами дейтерия в металлическую фольгу, содержащую дейтерий, литий или другие элементы. [3] Это позволило им измерить ядерное сечение различных реакций синтеза и определить, что реакция дейтерий-дейтерий происходила при более низкой энергии, чем другие реакции, достигая пика примерно при 100 000 электронвольт (100 кэВ). [4]
Эта энергия соответствует средней энергии частиц в газе, нагретом до тысяч миллионов кельвинов. Материалы, нагретые свыше нескольких десятков тысяч кельвинов, 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. [5]
Это приводит к интересной возможности: даже при температурах значительно ниже 100 000 эВ некоторые частицы будут случайным образом иметь достаточно энергии для прохождения реакции синтеза. Эти реакции высвобождают огромное количество энергии. Если эту энергию можно будет захватить обратно в плазму, она может нагреть другие частицы до этой энергии, делая реакцию самоподдерживающейся. В 1944 году Энрико Ферми рассчитал, что это произойдет при температуре около 50 000 000 К. [6] [7]
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, имеет тенденцию расширяться в соответствии с законом идеального газа . [5] Для термоядерного реактора проблема заключается в том, чтобы удерживать плазму, удерживаемую против этого давления; любой известный физический контейнер расплавился бы при этих температурах. [8]
Плазма является электропроводящей и подвержена воздействию электрических и магнитных полей. В магнитном поле электроны и ядра вращаются вокруг линий магнитного поля. [8] [9] [10] 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, такое расположение не ограничивает плазму по длине трубки, и плазма может свободно вытекать из концов. [11]
Очевидным решением этой проблемы является сгибание трубки в тор (форму кольца или бублика). [12] Движение к сторонам остается ограниченным, как и прежде, и хотя частицы остаются свободными для перемещения вдоль линий, в этом случае они будут просто циркулировать вокруг длинной оси трубки. Но, как указал Ферми, [a] когда соленоид сгибается в кольцо, электрические обмотки будут ближе друг к другу внутри, чем снаружи. Это приведет к неравномерному полю поперек трубки, и топливо будет медленно дрейфовать из центра. Некоторая дополнительная сила должна противодействовать этому дрейфу, обеспечивая долгосрочное удержание. [14] [15] [16]
Потенциальное решение проблемы ограничения было подробно описано в 1934 году Уиллардом Харрисоном Беннетом . [17] [18] Любой электрический ток создает магнитное поле , и из-за силы Лоренца это вызывает направленную внутрь силу. Это было впервые замечено в громоотводах . [19] Беннетт показал, что тот же эффект заставит ток «самофокусироваться» плазмой в тонкий столб. Вторая статья Льюи Тонкса в 1937 году снова рассмотрела этот вопрос, введя название « эффект пинча ». [20] [21] За ней последовала статья Тонкса и Уильяма Эллиса . [22]
Применение тока пинча в плазме может быть использовано для противодействия расширению и ограничения плазмы. [15] [23] Простой способ сделать это — поместить плазму в линейную трубку и пропустить через нее ток, используя электроды на обоих концах, как флуоресцентная лампа . Такое расположение по-прежнему не создает ограничения по длине трубки, поэтому плазма течет на электроды, быстро разрушая их. Это не проблема для чисто экспериментальной машины, и есть способы уменьшить скорость. [24] Другое решение — поместить магнит рядом с трубкой; когда магнитное поле изменяется, колебания вызывают индукцию электрического тока в плазме. Главное преимущество этого расположения заключается в том, что внутри трубки нет физических объектов, поэтому ее можно сформировать в тор и позволить плазме свободно циркулировать. [8] [25]
Концепция тороидального пинча как пути к термоядерному синтезу была исследована в Великобритании в середине 1940-х годов, особенно Джорджем Пейджетом Томсоном из Имперского колледжа Лондона . [26] С образованием Исследовательского центра по атомной энергии (AERE) в Харвелле, Оксфордшир , в 1945 году Томсон неоднократно обращался к директору Джону Кокрофту с просьбой о финансировании разработки экспериментальной машины. Эти просьбы были отклонены. В то время не было никакого очевидного военного применения, поэтому концепция осталась несекретной . Это позволило Томсону и Мозесу Блэкману подать патент на эту идею в 1946 году, описав устройство, использующее ровно столько тока пинча, чтобы ионизировать и кратковременно удерживать плазму, нагреваемую микроволновым источником, который также будет непрерывно генерировать ток. [27] [28]
В качестве практического устройства есть дополнительное требование, чтобы условия реакции длились достаточно долго, чтобы сжечь разумное количество топлива. В оригинальной конструкции Томсона и Блэкмана задачей микроволновой инжекции было управлять электронами для поддержания тока и создания пинчей, которые длились порядка одной минуты, позволяя плазме достичь 500 миллионов К. [29] Ток в плазме также нагревал ее; если ток также использовался в качестве источника тепла, единственным ограничением нагрева была мощность импульса. Это привело к новой конструкции реактора, в которой система работала короткими, но очень мощными импульсами. [12] Такая машина потребовала бы очень большого источника питания. [26]
В 1947 году Кокрофт организовал встречу нескольких физиков из Харвелла для изучения последних концепций Томсона, включая директора теоретической физики Харвелла Клауса Фукса . Концепции Томсона были плохо приняты, особенно Фуксом. [30] Когда эта презентация также не получила финансирования, Томсон передал свои концепции двум аспирантам в Империале, Стэнли (Стэн) У. Казинсу и Алану Альфреду Уэру (1924-2010 [31] ). Он добавил отчет о типе тороидального ускорителя частиц, известного как «Wirbelrohr» («вихревая трубка»), разработанного в Германии Максом Стенбеком . Wirbelrohr состоял из трансформатора с вакуумной трубкой в форме тора в качестве вторичной катушки, аналогичной по концепции тороидальным пинч-устройствам. [26]
Позже в том же году Уэр построил небольшую машину из старого радарного оборудования и смог вызвать мощные токи. Когда это произошло, плазма испускала вспышки света, но он не мог придумать способ измерения температуры плазмы. [26] Томсон продолжал оказывать давление на правительство, чтобы оно разрешило ему построить полномасштабное устройство, используя свою значительную политическую валюту , чтобы выступать за создание специальной экспериментальной станции в лаборатории Associated Electrical Industries (AEI), которая недавно была построена в Олдермастоне . [32]
Уэр обсуждал эксперименты со всеми, кто был заинтересован, включая Джима Така из лаборатории Кларендона в Оксфордском университете . Работая в Лос-Аламосе во время войны, Так и Станислав Улам построили неудачную систему термоядерного синтеза с использованием кумулятивных зарядов взрывчатых веществ, но она не сработала. [33] К Таку присоединился австралиец Питер Тонеманн , работавший над теорией термоядерного синтеза, и они вдвоем организовали финансирование через Кларендон для создания небольшого устройства, подобного тому, что было в Империале. Но до начала этой работы Таку предложили работу в США, и в конечном итоге он вернулся в Лос-Аламос. [34]
Тонеманн продолжил работать над идеей и начал строгую программу по исследованию базовой физики плазмы в магнитном поле. Начав с линейных трубок и ртутного газа, он обнаружил, что ток имеет тенденцию расширяться наружу через плазму, пока не коснется стенок контейнера (см. скин-эффект ). Он противодействовал этому, добавив небольшие электромагниты снаружи трубки, которые отталкивали ток и удерживали его в центре. К 1949 году он перешел от стеклянных трубок к большему медному тору, в котором он смог продемонстрировать стабильную зажатую плазму. Фредерик Линдеманн и Кокрофт посетили его и были должным образом впечатлены. [35]
Кокрофт попросил Герберта Скиннера пересмотреть концепции, что тот и сделал в апреле 1948 года. Он скептически отнесся к идеям Томсона о создании тока в плазме и считал, что идеи Тонемана, похоже, сработают. Он также указал, что поведение плазмы в магнитном поле не было хорошо изучено, и что «бесполезно заниматься дальнейшим планированием, пока это сомнение не будет разрешено». [32]
Тем временем в Лос-Аламосе Так познакомил американских исследователей с британскими разработками. В начале 1951 года Лайман Спитцер представил свою концепцию стелларатора и торговал этой идеей среди ядерных деятелей в поисках финансирования. Так скептически отнесся к энтузиазму Спитцера и посчитал, что его программа разработки «невероятно амбициозна». [36] Он предложил гораздо менее агрессивную программу, основанную на пинче. Оба мужчины представили свои идеи в Вашингтоне в мае 1951 года, в результате чего Комиссия по атомной энергии выделила Спитцеру 50 000 долларов США. [36] Так убедил Норриса Брэдбери , директора Лос-Аламоса, выделить ему 50 000 долларов США из дискреционного бюджета, использовав их для строительства « Возможнотрона» . [15]
В 1950 году Фукс признался в передаче атомных секретов Великобритании и США СССР. Поскольку термоядерные устройства генерировали нейтроны высокой энергии, которые могли использоваться для обогащения ядерного топлива для бомб, Великобритания немедленно засекретила все свои исследования в области термоядерного синтеза. Это означало, что команды больше не могли работать в открытой среде университетов. [37] Имперская команда под руководством Уэра переехала в лаборатории AEI в Олдермастоне, а Оксфордская команда под руководством Тонемана переехала в Харвелл. [8] [b]
К началу 1952 года в эксплуатации находилось множество устройств для сжатия; Казенс и Уэр построили несколько последующих машин под названием Sceptre, [38] а команда из Харвелла построила серию все более крупных машин, известных как Mark I — Mark IV. [39] [40] В США Так построил свой «Возможнотрон» в январе 1952 года . [41] Позже стало известно, что Фукс передал британскую работу Советам, и они также начали программу термоядерного синтеза. [42]
Всем этим группам было ясно, что в пинч-машинах что-то серьезно не так. При подаче тока плазменный столб внутри вакуумной трубки становился нестабильным и распадался, разрушая сжатие. Дальнейшая работа выявила два типа нестабильности, названные «перегиб» и «сосиска». [43] В перегибе обычно тороидальная плазма изгибалась в стороны, в конечном итоге касаясь краев сосуда. В сосиске плазма сужалась в местах вдоль плазменного столба, образуя рисунок, похожий на звено сосисок. [44]
Исследования показали, что оба были вызваны одним и тем же базовым механизмом. Когда применялся ток пинча, любая область газа, которая имела немного более высокую плотность, создавала немного более сильное магнитное поле и схлопывалась быстрее, чем окружающий газ. Это приводило к тому, что локализованная область имела более высокую плотность, что создавало еще более сильный пинч, и следовала неуправляемая реакция. Быстрый коллапс в одной области приводил к распаду всего столба. [44] [c]
Ранние исследования этого явления предполагали, что одним из решений проблемы было увеличение скорости сжатия. При таком подходе сжатие начиналось и останавливалось так быстро, что основная масса плазмы не успевала перемещаться; вместо этого ударная волна, созданная этим быстрым сжатием, отвечала за сжатие большей части плазмы. [46] Этот подход стал известен как быстрый пинч . Команда из Лос-Аламоса, работающая над линейной машиной Колумбуса, разработала обновленную версию для проверки этой теории. [47]
Другие начали искать способы стабилизации плазмы во время сжатия, и к 1953 году на первый план вышли две концепции. Одним из решений было обернуть вакуумную трубку в лист тонкого, но высокопроводящего металла. Если плазменный столб начинал двигаться, ток в плазме индуцировал бы магнитное поле в листе, которое, в силу закона Ленца , отталкивало бы плазму. Это было наиболее эффективно против больших, медленных движений, таких как весь плазменный тор, дрейфующий внутри камеры. [48] [49]
Второе решение использовало дополнительные электромагниты, обернутые вокруг вакуумной трубки. Магнитные поля от этих магнитов смешивались с полем пинча, созданным током в плазме. Результатом было то, что пути частиц внутри плазменной трубки больше не были чисто круговыми вокруг тора, а скручивались, как полосы на шесте парикмахера . [13] В США эта концепция была известна как придание плазме «хребта», подавляющего мелкомасштабные, локализованные нестабильности. [50] Расчеты показали, что этот стабилизированный пинч значительно улучшит время удержания, и старые концепции «внезапно показались устаревшими». [48]
Маршалл Розенблут , недавно прибывший в Лос-Аламос, начал детальное теоретическое исследование концепции пинча. Со своей женой Арианной В. Розенблут и Ричардом Гарвином он разработал «теорию двигателя», или «М-теорию», опубликованную в 1954 году. Теория предсказывала, что эффект нагревания электрического тока значительно увеличивается с мощностью электрического поля. Это предполагало, что концепция быстрого пинча будет иметь больше шансов на успех, поскольку в этих устройствах было легче производить большие токи. Когда он включил идею стабилизирующих магнитов в теорию, появилось второе явление: для определенного и узкого набора условий, основанных на физическом размере реактора, мощности стабилизирующих магнитов и величине пинча, тороидальные машины казались естественно стабильными. [50]
Американские исследователи планировали протестировать как быстрый пинч, так и стабилизированный пинч, модифицируя свои существующие малогабаритные машины. В Великобритании Томсон снова потребовал финансирования для более крупной машины. На этот раз его приняли гораздо более тепло, и первоначальное финансирование в размере 200 000 фунтов стерлингов было предоставлено в конце 1954 года. [40] Проектные работы продолжались в течение 1955 года, и в июле проект был назван ZETA. [51] Термин «нулевая энергия» был фразой, используемой в ядерной промышленности для обозначения небольших исследовательских реакторов , [52] таких как ZEEP , которые имели роль, схожую с целью ZETA, — производить реакции, не выделяя при этом чистую энергию. [53]
Проект ZETA был завершен в начале 1956 года. Metropolitan-Vickers была нанята для строительства машины, которая включала 150-тонный импульсный трансформатор , крупнейший, построенный в Британии на тот момент. Серьезная проблема возникла, когда требуемые высокопрочные стали, необходимые для электрических компонентов, были в дефиците, но забастовка в электротехнической промышленности США вызвала внезапный избыток материала, решив проблему. [51]
ZETA была самым большим и мощным термоядерным устройством в мире на момент его создания. [54] [d] Его алюминиевый тор имел внутренний диаметр 1 метр (3 фута 3 дюйма) и большой радиус 1,6 метра (5 футов 3 дюйма), что в три раза больше, чем у любой машины, построенной на тот момент. Это была также самая мощная конструкция, включающая индукционный магнит, который был разработан для индуцирования токов до 100 000 ампер (ампер) в плазму. Более поздние поправки к конструкции увеличили это до 200 000 ампер. [55] Он включал оба типа стабилизации; его алюминиевые стенки действовали как металлический экран, а ряд вторичных магнитов окружал тор. [53] Окна, размещенные в зазорах между тороидальными магнитами, позволяли напрямую контролировать плазму. [8]
В июле 1954 года AERE было реорганизовано в Управление по атомной энергии Соединенного Королевства (UKAEA). В том же году начались работы по переоборудованию ангара 7 Харвелла для размещения машины. [56] Несмотря на передовой дизайн, цена была скромной: около 1 миллиона долларов США. [57] [e] К концу 1956 года стало ясно, что ZETA выйдет в эксплуатацию в середине 1957 года, опередив стелларатор Model C и новейшие версии Maybeatron и Columbus. Поскольку эти проекты были секретными, на основе небольшого количества доступной информации пресса пришла к выводу, что это версии одного и того же концептуального устройства, и что британцы значительно опередили в гонке за создание работающей машины. [53]
С 1953 года США все больше концентрировались на концепции быстрого пинча. Некоторые из этих машин производили нейтроны, и они изначально были связаны с синтезом. Было так много волнения, что несколько других исследователей также быстро вошли в эту область. Среди них был Стирлинг Колгейт , но его эксперименты быстро привели его к выводу, что синтез не происходит. Согласно сопротивлению Спитцера , температуру плазмы можно было определить по току, протекающему через нее. Когда Колгейт выполнил расчет, температуры в плазме были намного ниже требований для синтеза. [58]
В таком случае, какой-то другой эффект должен был создавать нейтроны. Дальнейшие исследования показали, что это было результатом нестабильности в топливе. Локализованные области сильного магнитного поля действовали как крошечные ускорители частиц, вызывая реакции, которые выбрасывали нейтроны. Модификации, пытавшиеся уменьшить эту нестабильность, не смогли улучшить ситуацию, и к 1956 году концепция быстрого пинча была в значительной степени заброшена. Лаборатории США начали обращать свое внимание на концепцию стабилизированного пинча, но к этому времени ZETA была почти завершена, а США сильно отставали. [48]
В 1956 году, планируя широко разрекламированный государственный визит Никиты Хрущева и Николая Булганина в Великобританию, исследователи из Харвелла получили предложение от советского ученого Игоря Курчатова выступить с докладом. Они были удивлены, когда он начал свой доклад с «возможности получения термоядерных реакций в газовом разряде». [59] Речь Курчатова раскрыла советские усилия по производству быстрых пинч-устройств, похожих на американские конструкции, и их проблемы с нестабильностью в плазме. [59] [60] Курчатов отметил, что они также видели освобождение нейтронов и изначально считали, что это результат термоядерного синтеза. Но когда они изучили цифры, стало ясно, что плазма была недостаточно горячей, и они пришли к выводу, что нейтроны были результатом других взаимодействий. [61]
Речь Курчатова дала понять, что все три страны работали над одними и теми же базовыми концепциями и все столкнулись с одними и теми же проблемами. Кокрофт пропустил визит Курчатова, потому что уехал в США, чтобы добиться рассекречивания работ по термоядерному синтезу и избежать дублирования усилий. По обе стороны Атлантики было широко распространено мнение, что обмен результатами своих исследований значительно ускорит прогресс. Теперь, когда стало известно, что Советы находятся на том же базовом уровне развития, и что они заинтересованы в том, чтобы говорить об этом публично, США и Великобритания начали рассматривать возможность раскрытия большей части своей информации. Это переросло в более широкие усилия по раскрытию всех исследований по термоядерному синтезу на второй конференции «Атомы для мира» в Женеве в сентябре 1958 года. [62]
В июне 1957 года Великобритания и США окончательно договорились о предоставлении данных друг другу до конференции, на которой и Великобритания, и США планировали присутствовать «в силе». Окончательные условия были достигнуты 27 ноября 1957 года, открыв проекты для взаимной проверки и призвав к широкому публичному предоставлению всех данных в январе 1958 года. [63]
ZETA начала работу в середине августа 1957 года [56] , первоначально с водородом. Эти запуски показали, что ZETA не страдала от тех же проблем со стабильностью, которые наблюдались у более ранних пинч-машин, и их плазма сохранялась в течение миллисекунд, а не микросекунд, что на целых три порядка лучше. [64] Длина импульсов позволяла измерять температуру плазмы с помощью спектрографических средств; хотя излучаемый свет был широкополосным, доплеровское смещение спектральных линий небольших примесей в газе (в частности, кислорода) приводило к вычисляемым температурам. [65]
Даже в ранних экспериментальных запусках команда начала вводить в смесь дейтериевый газ и начала увеличивать ток до 200 000 ампер. Вечером 30 августа машина произвела огромное количество нейтронов , порядка одного миллиона за экспериментальный импульс, или «выстрел». [66] Последовала попытка повторить результаты и исключить возможную ошибку измерения. [67]
Многое зависело от температуры плазмы; если температура была низкой, нейтроны не были бы связаны с термоядерным синтезом. Спектрографические измерения предполагали температуру плазмы от 1 до 5 миллионов К; при этих температурах прогнозируемая скорость термоядерного синтеза была в пределах двух от числа наблюдаемых нейтронов. Казалось, что ZETA достигла долгожданной цели — производства небольшого количества термоядерных реакций, как и было задумано. [57]
Усилия США потерпели череду незначительных технических неудач, которые задержали их эксперименты примерно на год; оба новых Maybeatron S-3 и Columbus II не начали работать примерно в то же время, что и ZETA, несмотря на то, что были гораздо меньшими экспериментами. Тем не менее, когда эти эксперименты были запущены в середине 1957 года, они тоже начали генерировать нейтроны. [68] К сентябрю обе эти машины и новая конструкция, DCX в Национальной лаборатории Оук-Ридж , казались настолько многообещающими, что Эдвард Гарднер сообщил, что:
…существует определенная вероятность того, что либо машина в Оук-Ридже, либо машина в Лос-Аламосе подтвердят к январю 1958 года производство термоядерных нейтронов. [68]
Новости были слишком хороши, чтобы держать их в тайне. В сентябре начали появляться соблазнительные утечки. В октябре Тонеманн, Кокрофт и Уильям П. Томпсон намекнули, что последуют интересные результаты. В ноябре представитель UKAEA отметил: «Есть признаки того, что слияние было достигнуто». [57] Основываясь на этих намеках, Financial Times посвятила этой проблеме целую статью из двух колонок. С того времени и до начала 1958 года британская пресса публиковала в среднем две статьи в неделю о ZETA. [53] Даже американские газеты подхватили эту историю; 17 ноября The New York Times сообщила о намеках на успех. [69]
Хотя Британия и США согласились опубликовать свои данные в полном объеме, в этот момент генеральный директор американской программы Льюис Штраус решил отложить публикацию. [63] Так утверждал, что область выглядит настолько многообещающей, что было бы преждевременно публиковать какие-либо данные, прежде чем исследователи точно узнают, что синтез действительно происходит. [48] Штраус согласился и объявил, что они будут удерживать свои данные в течение некоторого времени, чтобы проверить результаты. [63]
Когда этот вопрос стал более известен в прессе, 26 ноября вопрос о публикации был поднят в Палате общин . Отвечая на вопрос оппозиции, лидер палаты публично объявил результаты, объяснив задержку публикации из-за соглашения между Великобританией и США. [69] Британская пресса интерпретировала это по-другому, [53] утверждая, что США тянут время, потому что не могут повторить британские результаты. [70]
Ситуация достигла апогея 12 декабря, когда бывший член парламента Энтони Наттинг написал статью в New York Herald Tribune, в которой утверждал:
Некоторые люди мрачно намекнули мне, что настоящей причиной этого нежелания Америки обнародовать эту знаменательную новость является политика. Они указывают на потерю престижа, которую понесла бы администрация, если бы ей пришлось признать, что Британия, как и Россия, опережает Америку в научном развитии. Я предпочитаю верить, что такое отношение проистекает из рабского и ошибочного применения безопасности. Но какова бы ни была причина, это показывает прискорбное заблуждение в Вашингтоне относительно истинного значения западного партнерства и реальной природы советской угрозы. [71]
Статья вызвала шквал активности в администрации Макмиллана . Первоначально планировалось опубликовать результаты на запланированном заседании Королевского общества , но возникли большие опасения по поводу того, приглашать ли американцев и советских ученых, особенно потому, что они считали, что американцы будут очень расстроены, если приедут советские ученые, но также расстроены, если их не пригласят, и мероприятие будет чисто британским. [72] В конечном итоге дело привело к тому, что UKAEA сделала публичное заявление о том, что США не скрывают результаты ZETA, [73] но это привело в ярость местную прессу, которая продолжала утверждать, что США задерживают, чтобы дать им возможность наверстать упущенное. [57] [f]
Когда в ноябре было подписано соглашение об обмене информацией, было получено еще одно преимущество: командам из разных лабораторий разрешили посещать друг друга. Американская команда, включая Стирлинга Колгейта, Лаймана Спитцера, Джима Така и Артура Эдварда Руарка , посетила ZETA и пришла к выводу, что существует «большая вероятность» того, что нейтроны были получены в результате термоядерного синтеза. [63]
По возвращении в США Спитцер вычислил, что с результатами ZETA что-то не так. Он заметил, что кажущаяся температура, 5 миллионов К, не успеет развиться за короткое время поджигания. ZETA не выделила достаточно энергии в плазму, чтобы нагреть ее до этих температур так быстро. Если бы температура росла относительно медленно, как предполагали его расчеты, то синтез не происходил бы на ранней стадии реакции и не мог бы добавлять энергию, которая могла бы компенсировать разницу. Спитцер подозревал, что показания температуры были неточными. Поскольку именно показания температуры предполагали, что нейтроны были получены в результате синтеза, если температура была ниже, это означало бы, что нейтроны не были получены в результате синтеза. [74]
Колгейт пришел к аналогичным выводам. В начале 1958 года он, Гарольд Фёрт и Джон Фергюсон начали обширное исследование результатов всех известных пинч-машин. Вместо того, чтобы выводить температуру из энергии нейтронов, они использовали проводимость самой плазмы, основываясь на хорошо понятных соотношениях между температурой и проводимостью . Они пришли к выводу, что машины вырабатывали температуры, возможно, 1 ⁄ 10 от того, что предполагали нейтроны, далеко не достаточно горячие, чтобы объяснить количество производимых нейтронов, независимо от их энергии. [74]
К этому времени последние версии американских пинч-устройств, Maybeatron S-3 и Columbus S-4, производили собственные нейтроны. Мир исследований термоядерного синтеза достиг высшей точки. В январе результаты экспериментов по пинч-исследованию в США и Великобритании объявили, что нейтроны высвобождаются, и что, по-видимому, термоядерный синтез был достигнут. Опасения Спитцера и Колгейта были проигнорированы. [74]
Долгожданная публикация данных по термоядерному синтезу была объявлена общественности в середине января. Значительный материал по устройствам ZETA и Sceptre Великобритании был подробно опубликован в выпуске Nature от 25 января 1958 года , который также включал результаты с лос-аламосских «Пожалуйстатрона S-3», Columbus II и Columbus S-2. Британская пресса была в ярости. Observer писал, что «тактика адмирала Штрауса испортила то, что должно было стать захватывающим объявлением о научном прогрессе, так что это стало грязным эпизодом политики престижа». [57]
Результаты были типичны для обычно трезвого научного языка, и хотя нейтроны были отмечены, не было никаких серьезных заявлений относительно их источника. [47] За день до публикации Кокрофт, генеральный директор Харвелла, созвал пресс-конференцию , чтобы познакомить британскую прессу с результатами. Некоторое указание на важность события можно увидеть в присутствии полевой команды телевидения BBC , что было редким явлением в то время. [75] Он начал с представления программы термоядерного синтеза и машины ZETA, а затем заметил:
Во всех экспериментах с тороидальными разрядами нейтроны наблюдались примерно в тех количествах, которых можно было бы ожидать, если бы происходили термоядерные реакции. Однако из предыдущих экспериментов, проведенных в российских и других лабораториях, хорошо известно, что нестабильности в токовом канале могут вызывать сильные электрические поля, которые ускоряют дейтроны и могут производить нейтроны. Так что ни в одном случае не было определенно доказано , что нейтроны возникают из-за случайного движения дейтерия, связанного с температурой порядка пяти миллионов градусов... Их происхождение, однако, станет ясным, как только число производимых нейтронов можно будет увеличить путем увеличения тока и температуры.
— Джон Кокрофт , 24 января 1958 г. [76]
Репортеры на встрече не были удовлетворены этой оценкой и продолжали давить на Кокрофта по вопросу нейтронов. После того, как его спросили несколько раз, он в конце концов заявил, что, по его мнению, он «на 90 процентов уверен», что они были из термоядерного синтеза. [76] Это было неразумно; заявление лауреата Нобелевской премии было воспринято как констатация факта. [75] На следующий день воскресные газеты были заполнены новостями о том, что в ZETA был достигнут термоядерный синтез, часто с утверждениями о том, что Великобритания теперь далеко впереди в исследованиях термоядерного синтеза. Кокрофт еще больше расхваливал результаты на телевидении после публикации, заявив: «Для Британии это открытие важнее, чем русский спутник». [77] [78]
Как и планировалось, США также опубликовали большую партию результатов своих меньших пинч-машин. Многие из них также испускали нейтроны, хотя ZETA была стабилизирована в течение гораздо более длительного времени и генерировала больше нейтронов, примерно в 1000 раз. [79] Когда его спросили об успехе в Великобритании, Штраус отрицал, что США отстают в гонке за термоядерный синтез. Сообщая об этой теме, The New York Times решила сосредоточиться на Columbus II в Лос-Аламосе, упомянув ZETA только позже в статье, а затем пришла к выводу, что две страны идут «ноздря в ноздрю». [80] Другие сообщения из США в целом давали равную поддержку обеим программам. [81] Газеты из остального мира были более благосклонны к Великобритании; Радио Москвы зашло так далеко, что публично поздравило Великобританию, при этом вообще не упомянув результаты США. [57]
Поскольку ZETA продолжала давать положительные результаты, были разработаны планы по созданию последующей машины. Новая конструкция была анонсирована в мае; ZETA II должна была стать значительно более крупной машиной стоимостью 14 миллионов долларов США, чьей явной целью было достижение 100 миллионов К и выработка чистой энергии. [57] Это объявление вызвало похвалу даже в США; The New York Times опубликовала статью о новой версии. [82] Машины, похожие на ZETA, анонсировались по всему миру; Университет Осаки объявил, что их пинч-машина была даже более успешной, чем ZETA, команда Олдермастона объявила о положительных результатах своей машины Sceptre стоимостью всего 28 000 долларов США, а новый реактор был построен в Университете Уппсалы , который был представлен общественности позже в том же году. [54] Институт имени Ефремова в Ленинграде начал строительство меньшей версии ZETA, хотя все еще больше, чем большинство, известной как Alpha. [83]
Спитцер уже пришел к выводу, что известная теория предполагала, что ZETA была далека от температур, о которых заявляла команда, и во время рекламы, сопровождавшей публикацию работы, он предположил, что «похоже, что здесь задействован какой-то неизвестный механизм». [80] Другие исследователи в США, в частности, Фурт и Колгейт, были гораздо более критичны, говоря всем, кто готов был слушать, что результаты — чушь. [80] В Советском Союзе Лев Арцимович поспешил перевести статью в Nature и, прочитав ее, заявил: «Чуш собачи!» (чушь собачья). [84]
Кокрофт заявил, что они получали слишком мало нейтронов от устройства, чтобы измерить их спектр или направление. [76] Неспособность сделать это означала, что они не могли исключить возможность того, что нейтроны высвобождались из-за электрических эффектов в плазме, видов реакций, на которые Курчатов указал ранее. [85]
На самом деле, такие измерения было бы легко сделать. [85] В том же переоборудованном ангаре, где размещался ZETA, находился проект Harwell Synchrocyclotron, которым руководил Бэзил Роуз. Этот проект построил чувствительную диффузионную камеру высокого давления в качестве основного детектора циклотрона. Роуз был убежден, что он сможет напрямую измерять энергии и траектории нейтронов. [85]
В серии экспериментов в феврале и марте 1958 года он показал, что нейтроны имеют высокую направленность, что противоречит термоядерному происхождению, которое, как можно было бы ожидать, будет направлено случайным образом. Чтобы еще больше продемонстрировать это, он запустил машину с током в разрядном токе, текущим «назад». Если бы нейтроны были из термоядерного синтеза, чистая скорость должна была бы быть равна нулю, то есть они должны были бы двигаться в случайных направлениях. [86] Измерения показали, что это не так, не только была четкая направленность их высвобождения, она менялась на противоположную, когда ток был изменен на противоположный. Это предполагало, что нейтроны были результатом самого электрического тока, а не реакций термоядерного синтеза внутри плазмы. [85] [87] [88] Они также отметили, что энергия нейтронов была чрезвычайно близка к энергии реакции термоядерного синтеза DD, что предполагало, что источником были частицы D, сталкивающиеся с твердым телом в реакторе. [86]
За этим последовали аналогичные эксперименты на «Бопсэфатроне» и «Колумбусе», продемонстрировавшие те же проблемы. [85] Проблема заключалась в новой форме нестабильности, «микронестабильности» или МГД-нестабильности, которые были вызваны волнообразными сигналами в плазме. [89] Они были предсказаны, но в то время как перегиб был в масштабе всей плазмы и мог быть легко замечен на фотографиях, эти микронестабильности были слишком малы и быстро двигались, чтобы их можно было легко обнаружить, и их просто не замечали раньше. Но, как и перегиб, когда развивались эти нестабильности, развивались области огромного электрического потенциала, быстро ускоряя протоны в этой области. Иногда они сталкивались с нейтронами в плазме или стенках контейнера, выбрасывая их через нейтронное расщепление . [90] Это тот же физический процесс, который создавал нейтроны в более ранних конструкциях, проблема, о которой Кокрофт упоминал во время пресс-релизов, но их основную причину было труднее увидеть, и в ZETA они были намного мощнее. Обещание стабилизированного пинча исчезло. [85]
Кокрофт был вынужден опубликовать унизительное опровержение 16 мая 1958 года, заявив: «Он выполняет именно ту работу, которую мы ожидали, и функционирует именно так, как мы надеялись». [91] Le Monde вынесла этот вопрос на первую страницу в июне, отметив: «Вопреки тому, что было объявлено шесть месяцев назад в Харвелле, британские эксперты подтверждают, что термоядерная энергия не была «одомашнена » ». [92] Это событие вызвало холодок во всей отрасли; не только британцы выглядели глупо, все остальные страны, участвующие в исследованиях по термоядерному синтезу, поспешили запрыгнуть в вагончик. [92]
Начиная с 1955 года [93] Кокрофт настаивал на создании нового места для строительства нескольких прототипов реакторов деления, производящих энергию. Кристофер Хинтон решительно выступил против этого , и в UKAEA разгорелись яростные дебаты по этому вопросу. [g] Кокрофт в конечном итоге выиграл дебаты, и в конце 1958 года UKAEA сформировала AEE Winfrith в Дорсете , где они в конечном итоге построили несколько экспериментальных конструкций реакторов. [95]
Кокрофт также настаивал на том, чтобы реактор ZETA II был размещен на новом месте. Он утверждал, что Уинфрит лучше подойдет для строительства большого реактора, а несекретное место лучше подойдет для теперь уже несекретных исследований. Это привело к тому, что было описано как «настолько близкое к восстанию, которое только могли устроить индивидуалистические ученые в Харвелле». [96] Тонеманн ясно дал понять, что он не заинтересован в переезде в Дорсет, и предположил, что несколько других высокопоставленных членов также предпочтут уйти, чем переезжать. Затем он отправился в академический отпуск в Принстонский университет на год. Все это дело было серьезным напряжением для Бэзила Шонланда , который взял на себя управление исследовательским отделом, когда Кокрофт ушел в октябре 1959 года, чтобы стать магистром недавно сформированного колледжа Черчилля в Кембридже . [97]
В то время как это происходило, первоначальное предложение ZETA II становилось все больше и больше, в конечном итоге определяя токи такой же мощности, как Joint European Torus , который был построен несколько лет спустя. [97] Поскольку это казалось выходящим за рамки современного уровня техники, [98] проект был в конечном итоге отменен в феврале 1959 года. [99] Вскоре его место заняло новое предложение — эксперимент по стабильности промежуточного тока (ICSE). [83] [100] ICSE был разработан, чтобы воспользоваться дополнительными стабилизирующими эффектами, отмеченными в М-теории, которая предполагала, что очень быстрые пинчи заставят ток течь только во внешнем слое плазмы, который должен быть намного более стабильным. Со временем эта машина выросла примерно до тех же размеров, что и ZETA; ICSE имел большой диаметр 6 м и малый диаметр 1 м, питаемый от батареи конденсаторов, хранящих 10 МДж при 100 кВ. [100]
Харвелл был так же неподходящим для ICSE, как и для ZETA II, поэтому Шонланд обратился к правительству с идеей нового места для исследований в области термоядерного синтеза, расположенного недалеко от Харвелла. Он был удивлен, обнаружив, что они были довольны этой идеей, так как это ограничило бы занятость в Харвелле, чей список заработной платы становился слишком сложным для управления. Дальнейшее исследование показало, что стоимость строительства нового места будет компенсирована экономией за счет сохранения места недалеко от Харвелла; если ICSE будет построен в Уинфрите, расходы на поездки между местами будут значительными. В мае 1959 года UKAEA приобрела RNAS Culham , примерно в 10 милях (16 км) от Харвелла. [95] Строительство ICSE началось позже в том же году, начавшись со здания площадью в один акр для его размещения, известного как «D-1». [100]
Тем временем работа над ZETA продолжалась, чтобы лучше понять, что вызывало новые формы нестабильности. Новые диагностические методы продемонстрировали, что энергия электронов была очень низкой, порядка 10 эВ (приблизительно 100 000 К), в то время как температура ионов была несколько выше при 100 эВ. Оба они указывали на быструю потерю энергии в плазме, что, в свою очередь, предполагало, что топливо было турбулентным и выходило из ограничения, ударяясь о стенки камеры, где оно быстро охлаждалось. Полная презентация результатов была сделана на Зальцбургской конференции в 1961 году, где советская делегация представила очень похожие результаты по своему клону ZETA, Alpha. [83]
Источник этой турбулентности не был четко определен в то время, но команда предположила, что это было связано с резистивными модами, управляемыми током; если не использовать упрощающее предположение, что плазма не имеет макроскопического сопротивления, то естественным образом возникнут новые нестабильности. Когда новый глава UKAEA, Уильям Пенни , услышал, что конструкция ICSE также основана на предположении отсутствия сопротивления, он отменил проект в августе 1960 года. [101] Детали для частично собранного реактора были разобраны другими командами. [102]
Тонеманн к этому моменту вернулся и обнаружил много несогласных с ICSE. Он потребовал, чтобы ему разрешили создать новую группу по слиянию, которая осталась бы в Харвелле на ZETA. [103] ZETA некоторое время оставалась крупнейшей тороидальной машиной в мире, [83] и продолжала продуктивную карьеру чуть более десятилетия, но, несмотря на свои последующие успехи, ZETA всегда была известна как пример британской глупости. [92] [104]
Неудача ZETA была вызвана ограниченной информацией; используя наилучшие доступные измерения, ZETA возвращала несколько сигналов, которые предполагали, что нейтроны были вызваны синтезом. Первоначальные измерения температуры были сделаны путем изучения доплеровского смещения спектральных линий атомов в плазме. [65] Неточность измерения и ложные результаты, вызванные ударами электронов о контейнер, привели к вводящим в заблуждение измерениям, основанным на примесях, а не на самой плазме. В течение следующего десятилетия ZETA непрерывно использовалась в попытке разработать более совершенные диагностические инструменты для решения этих проблем. [105]
Эта работа в конечном итоге разработала метод, который используется и по сей день. Введение лазеров предоставило новое решение через британское открытие, известное как рассеяние Томсона . Лазеры имеют чрезвычайно точный и стабильный контроль частоты, и свет, который они излучают, сильно взаимодействует со свободными электронами. Лазер, излучаемый в плазму, будет отражаться от электронов, и во время этого процесса будет смещен Доплером движением электронов. Скорость электронов является функцией их температуры, поэтому, сравнивая частоту до и после столкновений, можно было измерить температуру электронов с чрезвычайно высокой степенью точности. [106] «Перевернув» систему, можно было также напрямую измерить температуру ионов. [107]
В 1960-х годах ZETA был не единственным экспериментом, который страдал от неожиданных проблем с производительностью. Проблемы с диффузией плазмы через магнитные поля преследовали как программы магнитного зеркала , так и стелларатора, со скоростью, которую классическая теория не могла объяснить. [108] Добавление большего количества полей, по-видимому, не исправило проблемы ни в одной из существующих конструкций. Работа резко замедлилась, поскольку команды по всему миру пытались лучше понять физику плазмы в своих устройствах. Пфирш и Шлютер были первыми, кто добился значительного прогресса, предположив, что для исправления этих проблем потребуются гораздо более крупные и мощные машины. [109] Пессимистическое отношение укоренилось во всей области. [110]
В 1968 году в Новосибирске состоялась встреча исследователей термоядерного синтеза , где, к всеобщему удивлению, советские хозяева представили свою работу по проектам токамаков , которые имели показатели производительности, с которыми ни один другой эксперимент даже близко не сравнился. [111] Последняя из их разработок, Т-3, производила энергию электронов 1000 эВ , по сравнению с примерно 10 эВ в ZETA. [83] [112] Это соответствовало температуре плазмы около 10 миллионов К. [106] Хотя советская группа пользовалась большим уважением, результаты были настолько хороши, что возникли серьезные опасения, что их косвенные измерения температуры могут быть ненадежными, и они стали жертвой проблемы измерения, подобной той, что возникла с ZETA. [110] Спитцер снова довольно резко выразил свой скептицизм, вызвав ожесточенные дебаты с Арцимовичем. [113] [114]
Советы были в равной степени обеспокоены этим, и хотя это был разгар Холодной войны , Арцимович пригласил UKAEA привезти свою лазерную систему в Курчатовский институт и независимо измерить производительность. [115] Ранее Арцимович называл их систему «блестящей». [116] Команда стала известна как «пятерка Калхэма», [106] выполнив серию измерений в конце 1968 и начале 1969 года. Полученная в результате работа была опубликована в ноябре 1969 года [117] и убедила исследователей в области термоядерного синтеза, что токамак действительно достигает уровней производительности, заявленных Советами. Результатом стал «настоящий ажиотаж» строительства токамаков по всему миру, [89] и он остается наиболее изученным устройством в области термоядерного синтеза. [13]
Токамаки — это тороидальные пинч-машины. Ключевое отличие заключается в относительной силе полей. [112] В стабилизированных пинч-машинах большая часть магнитного поля в плазме создавалась током, индуцированным в ней. Сила внешних стабилизирующих полей была намного ниже и проникала только во внешние слои плазменной массы. Токамак изменил это; внешние магниты были намного мощнее, а плазменный ток значительно уменьшился по сравнению с ними. Арцимович выразился так:
Интенсивность продольного поля должна быть во много раз больше, чем интенсивность азимутального поля, создаваемого током. В этом состоит принципиальное отличие токамаков от систем с относительно слабыми продольными полями, таких как известная английская установка Zeta. [89]
Эта разница сегодня является частью общей концепции, известной как коэффициент безопасности , обозначаемый q. Он должен быть больше единицы, чтобы поддерживать стабильность во время разряда; в ZETA он был около 1 ⁄ 3 . Машина типа ZETA могла бы достичь этого q, но потребовала бы чрезвычайно мощных внешних магнитов, чтобы соответствовать столь же большим полям, создаваемым током. Подход токамака решил эту проблему, используя меньший ток пинча; это сделало систему стабильной, но означало, что ток больше не мог использоваться для нагрева плазмы. Конструкции токамака требуют некоторой формы внешнего нагрева. [89]
В 1965 году недавно открытая лаборатория Калхэма организовала то, что стало периодической встречей международных исследователей термоядерного синтеза. Из всех представленных работ были представлены только две статьи по стабилизированному пинчу, обе по ZETA. Спитцер не упомянул их во время вступительных комментариев. [118]
Обычно импульс электричества, посылаемый в ZETA, формировал импульс тока с формой, похожей на распределение Пуассона , быстро нарастающий, а затем затухающий. В одной из статей отмечалось, что стабильность плазмы достигала максимума сразу после того, как ток начинал спадать, а затем длилась дольше, чем сам импульс тока. Учитывая, что ток был там для обеспечения удержания, то, что плазма фактически увеличивала удержание по мере уменьшения тока, было совершенно неожиданным. Это явление было названо «покоем». [118]
Три года спустя, на той же встрече, где впервые были опубликованы результаты советских исследований токамака Т-3, статья Робинсона и Кинга исследовала период покоя. Они определили, что это было связано с тем, что изначальное тороидальное магнитное поле меняло полярность, создавая более стабильную конфигурацию. В то время колоссальные результаты Т-3 затмили этот результат. [119]
Джон Брайан Тейлор занялся этим вопросом и начал детальное теоретическое исследование концепции, опубликовав новаторскую статью 1974 года на эту тему. Он продемонстрировал, что по мере того, как магнитное поле, создающее пинч, ослабевает, оно взаимодействует с уже существующими стабилизирующими полями, создавая самоустойчивое магнитное поле. Явление было вызвано желанием системы сохранить магнитную спиральность , что предложило ряд способов улучшить время удержания. [120]
Хотя стабилизирующая сила была ниже, чем сила, доступная в пинче, она длилась значительно дольше. Казалось, что можно построить реактор, который приблизился бы к критерию Лоусона с другого направления, используя увеличенное время удержания, а не увеличенную плотность. Это было похоже на подход стелларатора по концепции, и хотя он имел бы меньшую напряженность поля, чем эти машины, энергия, необходимая для поддержания удержания, была намного ниже. Сегодня этот подход известен как пинч с обратным полем (RFP) и является областью постоянного изучения. [121] [h]
Исследование Тейлором релаксации в обращенное состояние привело к развитию им более широкого теоретического понимания роли магнитной спиральности и состояний минимальной энергии, что значительно продвинуло понимание динамики плазмы. Состояние минимальной энергии, известное как «состояние Тейлора », особенно важно для понимания новых подходов к термоядерному синтезу в классе компактных тороидов . Тейлор продолжил изучать трансформацию баллонирования, проблему, которая возникала в новейших высокопроизводительных тороидальных машинах, когда в плазме формировались крупномасштабные волновые формы. Его работа в области исследований термоядерного синтеза принесла ему в 1999 году премию Джеймса Клерка Максвелла по физике плазмы . [123]
Culham официально открылся в 1965 году, и в этот период различные команды начали покидать бывшие объекты. Команда поддерживала работу ZETA до сентября 1968 года. [124] [125] Ангар 7, в котором размещались ZETA и другие машины, был снесен в течение финансового года 2005/2006. [126]
51°34′48″N 1°18′30″W / 51.5799°N 1.3082°W / 51.5799; -1.3082