Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Информацию о радиоастрономической группе Нидерландов см. В ASTRON .

Астрон представляет собой тип слитый мощности устройства , впервые разработанной Nicholas Кристофилоса и построен в Национальной Лаборатории Лоуренса Ливермора в 1960 - х и 70 - х годов. Astron использовал уникальную систему удержания, которая позволила избежать ряда проблем, которые встречаются в современных конструкциях, таких как стелларатор и магнитное зеркало.. Разработка была значительно замедлена из-за ряда изменений в конструкции, которые были внесены при ограниченном надзоре, что привело к созданию комитета по обзору для наблюдения за дальнейшей разработкой. Astron не смог достичь целей по производительности, установленных для него комитетом; финансирование было отменено в 1972 году, а разработка прекращена в 1973 году. Работа над подобными проектами, похоже, продемонстрировала теоретическую проблему в самой конструкции, которая предполагает, что она никогда не может быть использована для практического создания.

История [ править ]

Сильная фокусировка [ править ]

Кристофилос наиболее известен тем, что самостоятельно изобрел концепцию сильной фокусировки , которая используется в ускорителях частиц . Он впервые начал работу в этом направлении в конце 1940-х годов, когда руководил компанией по установке лифтов [1], а в 1948 году он написал письмо в Радиационную лабораторию Калифорнийского университета в Беркли, в котором изложил несколько идей по фокусировке ускорителей. 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 предоставлена ​​в 1956 году как патент США 2736799. [2]

Примерно в то же время Эрнест Курант , Милтон Стэнли Ливингстон и Хартланд Снайдер из Брукхейвенской национальной лаборатории рассматривали ту же проблему и разработали такое же решение, написав об этом в выпуске Physical Review от 1 декабря 1952 года . [3] Увидев газету, Христофилос устроил поездку в США, приехав через два месяца. Пробираясь 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]

Предложение Astron [ править ]

С покупкой патента пришла известность и достаточно денег, чтобы Кристофилос смог войти в мир физики США. В апреле 1953 года он присутствовал на собрании проекта Шервуд и представил еще одну идею, над которой работал в Греции, - Astron. [5]

Основная идея заключалась в том, чтобы инжектировать высокоэнергетические электроны в магнитное зеркало («резервуар»). Электроны захватываются зеркалом и создают слой тока около внешней поверхности объема резервуара, который он назвал «E-слоем». E-слой сам по себе создавал бы мощное магнитное поле , и как только ток достигал критической плотности, поля «переворачивались» и складывались в новую конфигурацию замкнутых линий, которые образовывали непрерывную ограниченную область. После успешного формирования E-слоя термоядерное топливо будет впрыскиваться в область внутри него и нагреваться за счет взаимодействия с E-слоем, чтобы довести его до температур термоядерного синтеза. [6]

Такая конструкция решила одну из основных проблем с основной концепцией магнитного зеркала, которое имело открытые силовые линии на концах. Топливо могло идти по этим линиям прямо из реактора. Таким образом, в зеркалах происходила естественная утечка плазмы , хотя конструкторы полагали, что они могут решить эту проблему, эксплуатируя машины при очень высоких температурах. На практике утечка оказалась даже выше, чем предполагала основная теория, и никогда не достигла тех уровней, которых они надеялись достичь. [7]

В то время Шервуд все еще оставался секретным, что представляло проблемы, когда он впервые изложил концепцию. Перед тем, как он вышел на сцену, формулы из предыдущего занятия на доске были тщательно стерты. Когда он заполнял доску своими собственными уравнениями, кто-то услужливо показал ему кнопки, которые поднимут ее и покажут новую внизу. Это не было стерто, и поэтому были предприняты поспешные усилия по предотвращению утечки любого чувствительного материала. Стремясь избежать повторения событий, Кристофилос получил работу в Брукхейвене, где он мог продолжить работу над теорией Астрона. [8]

Astron testing [ править ]

В 1956 году Кристофилос, наконец, получил разрешение службы безопасности и немедленно переехал в Ливерморскую национальную лабораторию Лоуренса (LLNL), чтобы начать работу над концепцией Astron. Через два года был достигнут достаточный прогресс, и он смог представить идею на конференции « Атом для мира» в Женеве в 1958 году вместе с моделью системы, которую они предложили построить. Он состоял из двух основных частей: магнитной бутылки, в которой будет удерживаться плазма, и ускорителя частиц, обеспечивающего релятивистские электроны. [9]

Несмотря на свой успех, Христофилос всегда был сторонним наблюдателем в лаборатории. Time сообщил, что «у него все еще нет степени по физике, и его греческий акцент, греческая болтливость и любовь к страстным спорам делают его аутсайдером». [10] Это привело к трениям в физическом истеблишменте и к ранним призывам к прекращению программы Astron. Обзор 1963 года всего проекта Шервуд привел к официальным призывам к отмене. Однако у программы были сторонники в рамках управления программой управляемого термоядерного синтеза, в частности, Гленн Сиборг и Джон С. Фостер., оба с прочными связями с LLNL. Фостер, в частности, был обеспокоен группами в Вашингтоне, диктующими разработку лабораторий. После долгих споров было решено, что программе будет разрешено продолжить, но к 1965 году необходимо будет продемонстрировать обратное направление поля [11].

К 1963 году команда спроектировала и построила новый тип линейного индукционного ускорителя с необходимыми характеристиками. Конструкция ускорителя вызвала интерес как оружие с пучком частиц, изучаемое в рамках проекта Seesaw. [12] Однако во время строительства команда поняла, что электроны могут свободно возвращаться в зону ускорителя. Кристофилос решил эту проблему, применив провода резистора, которые немного замедляли электроны после попадания 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 А, и был подтвержден стабильный E-слой, хотя и генерировавший только 2 А / см тока, всего 0,05%. диамагнитного поля, необходимого для обращения поля. [14] Работа продолжалась, чтобы достичь цели 1965 года - обратить вспять, но в конечном итоге провалилась. Однако электронный слой был стабильным, поэтому комитет Херба-Эллисона рекомендовал продолжать движение до следующего верстового столба. [15]

К 1967 году он был улучшен до 6%, но все еще было далеко от стабильного E-слоя, которого требовалось устройство. В 1968 году Кристофилос и Т. Кеннет Фаулер написали отчет с просьбой о более мощном ускорителе и модернизации танка. [16]

Проверка [ править ]

В конечном итоге средства на модернизацию были предоставлены, но только за счет прямого надзора со стороны Специальной группы, созданной AEC. К этому моменту «обычные» конструкции, стелларатор и магнитное зеркало, уже давно работали с реальной плазмой и постепенно увеличивали давление и температуру. С другой стороны, Astron был еще далек от создания своего первого полезного E-слоя, необходимого для экспериментов с плазмой. [17]

Специальная группа представила отрицательный отчет, жалуясь, что слишком много усилий было приложено к таким эксплуатационным вопросам, как производительность ускорителя, с минимальными усилиями или без каких-либо усилий в теоретических исследованиях того, будет ли плазма когда-либо стабильной, даже если бы E-слой мог быть сформированным. [18] Более того, группа указала, что никто серьезно не изучал, потребуется ли работающему и стабильному Astron больше мощности для работы, чем он мог бы высвободить. Это было серьезной проблемой в Astron, потому что его релятивистские электроны излучали большое количество энергии из-за электронного синхротронного излучения . [19]

Христофилос уже рассмотрел это и предположил, что в рабочем проекте вместо электронов будут использоваться протоны и не будет такого же уровня потерь энергии. Однако в то время такого ускорителя не существовало, и группа очень скептически относилась к тому, что его будет просто построить. [20]

Обновить [ править ]

Модернизация Astron была продолжена и началась в 1969 году. В течение этого периода, следуя совету Группы, теоретические подразделения LLNL начали гораздо более серьезно относиться к концепции. Создавая компьютерные модели системы, они сначала занялись проблемой «суммирования», когда отдельные импульсы электронов от ускорителя не накапливались в E-слое, как ожидалось. Брюс Лэнгдон продемонстрировал, что стекинг просто не работает. [21]

Однако предложение Фаулера спасло Astron от этой проблемы. Он отметил, что добавление второго магнитного поля, проходящего по центру резервуара, уменьшит количество внешнего поля, необходимого для создания E-слоя. Christofilos продолжил это изменение и начал испытания в 1971 году; это продемонстрировало значительно улучшенные характеристики как с уменьшением тока, так и с успешным захватом электронов. Это также позволило суммировать два импульса, увеличивая диамагнитную напряженность поля до 15%. [21]

В то время как Astron работал над несколькими импульсами, команда из Корнельского университета работала над аналогичной конструкцией. Однако в этом эксперименте с релятивистской электронной катушкой (RECE) использовался одиночный длинный импульс электронов, а не концепция суммирования. В конце 1971 года они объявили, что достигли полной инверсии поля. Христофилос не был впечатлен; эта конструкция не была бы полезной для установившегося термоядерного генератора, только путем непрерывного добавления импульсов машина могла бы поддерживать себя. [22]

Отмена [ править ]

Столкнувшись с продолжающимися проблемами с Astron и кажущейся легкостью, с которой команде RECE удалось достичь целей, которые они первоначально предложили в 1968 году, вторая Специальная группа опубликовала резкий отчет. Среди проблем они отметили, что команда Astron искала «гениальные способы избежать или обойти трудности, а не понимать их». [23] Рой Гулд , глава программы управляемого термоядерного синтеза AEC, дал конкретное разрешение на продолжение проекта Astron, но только в том случае, если он достигнет ряда целей в определенные сроки. [24]

Когда в 1972 году Роберт Хирш возглавил подразделение управляемого термоядерного синтеза AEC, он провел масштабный анализ, чтобы классифицировать изучаемые подходы и исключить дублирование и проекты с низкой окупаемостью. Учитывая впечатляющие результаты токамака, выпущенного в 1968 году, Хирш предпочел программу с относительно небольшим количеством проектов, каждый из которых имел гораздо больший бюджет. [25] Многие программы, такие как Astron, просто не приносили отдачи в ближайшем будущем, и Хирш очень хотел их отменить.

24 сентября 1972 года Христофилос встретился с Джеймсом Шлезингером из AEC, но записи о встрече не сохранились. После долгого дня он отправился в местный отель Holiday Inn, чтобы спасти долгую дорогу домой. В ту ночь он умер от сердечного приступа и умер. [24]

Ричард Бриггс взял на себя руководство проектом до запланированной даты его закрытия в июне 1973 года. Под его руководством Астрон вернулся к изучению нового стабилизирующего поля, введенного Фаулером, и с помощью одиночных больших импульсов устройство достигло 50% диамагнитной силы, что намного больше, чем Усилия Христофилоса с импульсными цепями. В их заключительном отчете говорилось, что «наращивание слоя E путем многоимпульсной закачки, как правило, было неудачным», и отмечалось, что во время отключения они все еще не понимали, какая физическая проблема ограничивала накопление. [26]

После Astron [ править ]

Хотя Astron закрылся, работа с RECE в Корнелле продолжалась в течение некоторого времени. В рамках своей работы команда попыталась переключиться с электронов на протоны. Однако, как некоторые подозревали, «P-слой» оказалось трудно построить, и инверсия поля протонами так и не была достигнута. Последняя версия этого проекта, FIREX, была закрыта в 2003 году, продемонстрировав, как представляется, чисто теоретическую причину, по которой концепция Astron никогда не сработает. [27]

Релятивистское электронное кольцо также сыграло свою роль в конструкции неровного тора . Это была еще одна попытка «заткнуть концы» зеркал, соединив несколько зеркал так, чтобы они образовали тор. Электроны были доведены до высоких энергий не за счет прямой инжекции, а за счет внешнего электронно-циклотронного нагрева (ЭЦН) с помощью микроволнового излучения. [28]

Описание [ править ]

Аппарат Astron состоял из двух секций: линейного ускорителя и магнитного зеркала «бака». Они были построены под прямым углом, с выходом ускорителя, стреляющим в борт танка с одного конца. [29]

Бак был относительно простым примером концепции магнитного зеркала , состоящего 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 инжектировались 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 улетать ионы нужной энергии, и различные расчеты показали, что скорость будет довольно высокой.

Инжектируя электроны в зеркало перед топливом, E-слой создавал бы второе магнитное поле, которое заставляло бы кольцевые области загибаться обратно в центр бака. Результирующее поле имело форму трубки и очень похоже на конфигурацию с обратным полем , или FRC. [30] Основное различие между этими устройствами заключается в способе реверсирования поля; с E-слоем в Astron и токами в плазме для FRC. Как и в классическом зеркале, Astron вводил электроны в зеркало под небольшим углом, чтобы гарантировать, что они будут циркулировать в центре зеркала. [29]

Сегодня Astron часто считают подклассом концепции FRC. [31]

См. Также [ править ]

  • Список статей по плазме (физике)

Ссылки [ править ]

Цитаты [ править ]

  1. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 5.
  2. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 5-6.
  3. ^ Эрнест Курант, М. Стэнли Ливингстон и Хартленд Снайдер. "Синхротрон с сильной фокусировкой - новый ускоритель высоких энергий", Physical Review Volume 88 (1952). п. 1190.
  4. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 8-9.
  5. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 9.
  6. Перейти ↑ Bromberg 1982 , p. 120.
  7. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 11.
  8. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 11-12.
  9. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 15-16.
  10. Перейти ↑ Bromberg 1982 , p. 122.
  11. Перейти ↑ Bromberg 1982 , p. 123.
  12. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 20.
  13. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 19.
  14. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 21.
  15. Перейти ↑ Bromberg 1982 , p. 202.
  16. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 22-23.
  17. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 26-27.
  18. Перейти ↑ Bromberg 1982 , p. 203.
  19. Перейти ↑ Coleman 2004 , pp. 29-31.
  20. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 32.
  21. ^ a b Коулман 2004 , стр. 34.
  22. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 35.
  23. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 37.
  24. ^ a b Коулман 2004 , стр. 40.
  25. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 38.
  26. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 42.
  27. Перейти ↑ Coleman 2004 , p. 43.
  28. ^ Джим булыжник, «Микроволновая-Driven Bumpy Torus Эксперимент» , ЛосАламосской национальной лаборатории, 18 августа 2011
  29. ^ a b Коулман 2004 , стр. 52.
  30. ^ a b Коулман 2004 , стр. 49.
  31. ^ Корнелис Мариус Браамс, Питер Стотт, «Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием» , CRC Press, 2002, стр. 106

Библиография [ править ]

  • Бромберг, Джоан Лиза (1982). Синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . MIT Press .CS1 maint: ref = harv ( ссылка )
  • Коулман, Элишева (4 мая 2004 г.). Греческий огонь: Николас Христофилос и проект Astron в программе синтеза Америки (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 7 января 2017 года . Проверено 31 октября 2011 года .CS1 maint: ref=harv (link)