ZETA , abreviatura de Zero Energy Thermonuclear Assembly , fue un experimento importante en la historia temprana de la investigación de la energía de fusión . Basado en la técnica de confinamiento por plasma pellizco y construido en el Establecimiento de Investigación de Energía Atómica del Reino Unido, ZETA era más grande y más poderosa que cualquier máquina de fusión del mundo en ese momento. Su objetivo era producir un gran número de reacciones de fusión, aunque no era lo suficientemente grande como para producir energía neta.
ZETA entró en funcionamiento en agosto de 1957 y a finales de mes emitía ráfagas de alrededor de un millón de neutrones por pulso. Las mediciones sugirieron que el combustible estaba alcanzando entre 1 y 5 millones de Kelvin , una temperatura que produciría reacciones de fusión nuclear , lo que explica las cantidades de neutrones que se estaban viendo. Los primeros resultados se filtraron a la prensa en septiembre de 1957 y en enero siguiente se publicó una reseña extensa. Los artículos de primera plana de los periódicos de todo el mundo lo anunciaron como un avance hacia la energía ilimitada, un avance científico para Gran Bretaña mayor que lo que había sido para la Unión Soviética el recientemente lanzado Sputnik .
Los experimentos estadounidenses y soviéticos también habían generado explosiones de neutrones similares a temperaturas que no eran lo suficientemente altas para la fusión. Esto llevó a Lyman Spitzer a expresar su escepticismo sobre los resultados, pero sus comentarios fueron descartados por los observadores del Reino Unido como patrioterismo . Otros experimentos con ZETA demostraron que las mediciones de temperatura originales eran engañosas; la temperatura total era demasiado baja para que las reacciones de fusión crearan la cantidad de neutrones que se estaban viendo. La afirmación de que ZETA había producido la fusión tuvo que ser retirada públicamente, un hecho vergonzoso que provocó escalofríos en todo el establishment de la fusión. Más tarde se explicó que los neutrones eran producto de la inestabilidad del combustible. Estas inestabilidades parecían inherentes a cualquier diseño similar, y el trabajo sobre el concepto básico de pellizco como camino hacia la energía de fusión terminó en 1961.
A pesar de que ZETA no logró la fusión, el dispositivo tuvo una larga vida experimental y produjo numerosos avances importantes en este campo. En una línea de desarrollo, se probó en ZETA el uso de láseres para medir con mayor precisión la temperatura, y luego se utilizó para confirmar los resultados del enfoque soviético del tokamak . En otro, mientras se examinaban las pruebas de ZETA, se observó que el plasma se autoestabilizó después de que se apagó la energía. Esto ha llevado al moderno concepto de pellizco de campo invertido . De manera más general, los estudios de las inestabilidades en ZETA han dado lugar a varios avances teóricos importantes que forman la base de la teoría moderna del plasma.
La comprensión básica de la fusión nuclear se desarrolló durante la década de 1920, cuando los físicos exploraban la nueva ciencia de la mecánica cuántica . La exploración de los túneles cuánticos realizada por George Gamow en 1928 demostró que las reacciones nucleares podían tener lugar a energías más bajas de lo que predecía la teoría clásica. Utilizando esta teoría, en 1929 Fritz Houtermans y Robert Atkinson demostraron que las velocidades de reacción esperadas en el núcleo del Sol respaldaban la sugerencia de Arthur Eddington de 1920 de que el Sol funciona mediante fusión . [1] [2]
En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio a una lámina metálica que contenía deuterio, litio u otros elementos. [3] Esto les permitió medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión y determinó que la reacción deuterio-deuterio se produjo con una energía más baja que otras reacciones, alcanzando un máximo de aproximadamente 100.000 electronvoltios (100 keV). [4]
Esta energía corresponde a la energía media de las partículas de un gas calentado a miles de millones de Kelvin. Los materiales calentados más allá de unas pocas decenas de miles de kelvins se disocian en sus electrones y núcleos , produciendo un estado de materia similar al gas conocido como plasma . En cualquier gas las partículas tienen un amplio rango de energías, siguiendo normalmente la estadística de Maxwell-Boltzmann . En tal mezcla, una pequeña cantidad de partículas tendrá mucha mayor energía que la masa. [5]
Esto conduce a una posibilidad interesante; Incluso a temperaturas muy por debajo de 100.000 eV, algunas partículas tendrán aleatoriamente suficiente energía para sufrir una fusión. Esas reacciones liberan enormes cantidades de energía. Si esa energía puede capturarse nuevamente en el plasma, también puede calentar otras partículas a esa energía, haciendo que la reacción sea autosostenida. En 1944, Enrico Fermi calculó que esto ocurriría a unos 50.000.000 K. [6] [7]
Aprovechar esta posibilidad requiere que el plasma de combustible se mantenga unido el tiempo suficiente para que estas reacciones aleatorias tengan tiempo de ocurrir. Como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y por tanto tiende a expandirse según la ley de los gases ideales . [5] Para un reactor de fusión, el problema es mantener el plasma contenido contra esta presión; cualquier contenedor físico conocido se derretiría a estas temperaturas. [8]
Un plasma es eléctricamente conductor y está sujeto a campos eléctricos y magnéticos. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético. [8] [9] [10] Un sistema de confinamiento simple es un tubo lleno de plasma colocado dentro del núcleo abierto de un solenoide . El plasma naturalmente quiere expandirse hacia las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea un campo magnético que recorre el centro del tubo, alrededor del cual orbitarán las partículas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Desafortunadamente, esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo y el plasma puede fluir libremente hacia los extremos. [11]
La solución obvia a este problema es doblar el tubo hasta formar un toro (forma de anillo o rosquilla). [12] El movimiento hacia los lados permanece restringido como antes, y aunque las partículas permanecen libres para moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje longitudinal del tubo. Pero, como señaló Fermi, [a] cuando el solenoide se dobla formando un anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos por dentro que por fuera. Esto daría lugar a un campo desigual a lo largo del tubo y el combustible se alejaría lentamente del centro. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando un confinamiento a largo plazo. [14] [15] [16]
Willard Harrison Bennett había detallado en 1934 una posible solución al problema del confinamiento . [17] [18] Cualquier corriente eléctrica crea un campo magnético y, debido a la fuerza de Lorentz , esto provoca una fuerza dirigida hacia adentro. Esto se observó por primera vez en los pararrayos . [19] Bennett demostró que el mismo efecto causaría que una corriente "autoenfoque" un plasma en una columna delgada. Un segundo artículo de Lewi Tonks en 1937 volvió a considerar la cuestión e introdujo el nombre de " efecto pellizco ". [20] [21] Fue seguido por un artículo de Tonks y William Allis . [22]
Se puede utilizar la aplicación de una corriente de pellizco en un plasma para contrarrestar la expansión y confinar el plasma. [15] [23] Una forma sencilla de hacer esto es colocar el plasma en un tubo lineal y pasar una corriente a través de él usando electrodos en cada extremo, como una lámpara fluorescente . Esta disposición aún no produce confinamiento a lo largo del tubo, por lo que el plasma fluye hacia los electrodos, erosionándolos rápidamente. Esto no es un problema para una máquina puramente experimental y hay formas de reducir la velocidad. [24] Otra solución es colocar un imán al lado del tubo; cuando el campo magnético cambia, las fluctuaciones provocan que se induzca una corriente eléctrica en el plasma. La principal ventaja de esta disposición es que no hay objetos físicos dentro del tubo, por lo que se puede formar un toro y permitir que el plasma circule libremente. [8] [25]
El concepto de pellizco toroidal como ruta hacia la fusión fue explorado en el Reino Unido a mediados de la década de 1940, especialmente por George Paget Thomson del Imperial College de Londres . [26] Con la formación del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica (AERE) en Harwell, Oxfordshire , en 1945, Thomson solicitó repetidamente al director, John Cockcroft , fondos para desarrollar una máquina experimental. Estas solicitudes fueron rechazadas. En aquel momento no había ningún uso militar evidente, por lo que el concepto quedó sin clasificar . Esto permitió a Thomson y Moses Blackman presentar una patente sobre la idea en 1946, describiendo un dispositivo que utilizaba la suficiente corriente de pellizco para ionizar y confinar brevemente el plasma mientras se calentaba con una fuente de microondas que también impulsaría continuamente la corriente. [27] [28]
Como dispositivo práctico existe un requisito adicional: que las condiciones de reacción duren el tiempo suficiente para quemar una cantidad razonable de combustible. En el diseño original de Thomson y Blackman, el trabajo de la inyección de microondas era impulsar los electrones para mantener la corriente y producir pellizcos que duraban del orden de un minuto, permitiendo que el plasma alcanzara los 500 millones de K. [29] La corriente en el plasma también lo calentó; si la corriente también se usaba como fuente de calor, el único límite para el calentamiento era la potencia del pulso. Esto llevó a un nuevo diseño de reactor en el que el sistema funcionaba en pulsos breves pero muy potentes. [12] Una máquina así requeriría un suministro de energía muy grande. [26]
En 1947, Cockcroft organizó una reunión de varios físicos de Harwell para estudiar los últimos conceptos de Thomson, incluido el director de física teórica de Harwell, Klaus Fuchs . Los conceptos de Thomson fueron mal recibidos, especialmente por Fuchs. [30] Cuando esta presentación tampoco logró obtener financiación, Thomson transmitió sus conceptos a dos estudiantes de posgrado en Imperial, Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [31] ). Añadió un informe sobre un tipo de acelerador de partículas toroidales conocido como "Wirbelrohr" ("tubo de remolino"), diseñado en Alemania por Max Steenbeck . El Wirbelrohr consistía en un transformador con un tubo de vacío en forma de toro como bobina secundaria, similar en concepto a los dispositivos de pinza toroidales. [26]
Más tarde ese año, Ware construyó una pequeña máquina con equipos de radar viejos y pudo inducir corrientes poderosas. Cuando lo hicieron, el plasma emitió destellos de luz, pero no pudo idear una manera de medir la temperatura del plasma. [26] Thomson continuó presionando al gobierno para que le permitiera construir un dispositivo a gran escala, utilizando su considerable moneda política para defender la creación de una estación experimental dedicada en el laboratorio de Associated Electrical Industries (AEI) que se había construido recientemente en Aldermaston . [32]
Ware discutió los experimentos con cualquiera que estuviera interesado, incluido Jim Tuck del Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Mientras trabajaban en Los Álamos durante la guerra, Tuck y Stanislaw Ulam habían construido un sistema de fusión fallido utilizando explosivos de carga conformada , pero no funcionó. [33] A Tuck se unió el australiano Peter Thonemann , que había trabajado en la teoría de la fusión, y los dos consiguieron financiación a través de Clarendon para construir un pequeño dispositivo como el de Imperial. Pero antes de que comenzara este trabajo, a Tuck le ofrecieron un trabajo en los EE. UU. y finalmente regresó a Los Alamos. [34]
Thonemann continuó trabajando en la idea y comenzó un riguroso programa para explorar la física básica de los plasmas en un campo magnético. Comenzando con tubos lineales y gas mercurio , descubrió que la corriente tendía a expandirse hacia afuera a través del plasma hasta tocar las paredes del recipiente (ver efecto piel ). Contrarrestó esto añadiendo pequeños electroimanes fuera del tubo, que empujaban contra la corriente y lo mantenían centrado. En 1949, pasó de los tubos de vidrio a un toroide de cobre más grande, en el que pudo demostrar un plasma comprimido estable. Frederick Lindemann y Cockcroft lo visitaron y quedaron debidamente impresionados. [35]
Cockcroft le pidió a Herbert Skinner que revisara los conceptos, lo cual hizo en abril de 1948. Se mostró escéptico ante las ideas de Thomson para crear una corriente en el plasma y pensó que parecía más probable que las ideas de Thonemann funcionaran. También señaló que el comportamiento de los plasmas en un campo magnético no se entendía bien y que "es inútil hacer mucha más planificación antes de que se resuelva esta duda". [32]
Mientras tanto, en Los Álamos, Tuck informó a los investigadores estadounidenses sobre los esfuerzos británicos. A principios de 1951, Lyman Spitzer presentó su concepto de estelarador y estaba comercializando la idea en el establishment nuclear en busca de financiación. Tuck se mostró escéptico ante el entusiasmo de Spitzer y consideró que su programa de desarrollo era "increíblemente ambicioso". [36] Propuso un programa mucho menos agresivo basado en pellizcos. Ambos hombres presentaron sus ideas en Washington en mayo de 1951, lo que resultó en que la Comisión de Energía Atómica le entregara a Spitzer 50.000 dólares. [36] Tuck convenció a Norris Bradbury , el director de Los Álamos, para que le diera 50.000 dólares del presupuesto discrecional, utilizándolos para construir el Maybeatron . [15]
En 1950, Fuchs admitió haber pasado secretos atómicos del Reino Unido y Estados Unidos a la URSS. Como los dispositivos de fusión generaban neutrones de alta energía, que podrían usarse para enriquecer combustible nuclear para bombas, el Reino Unido clasificó inmediatamente toda su investigación sobre fusión. Esto significó que los equipos ya no podían trabajar en el entorno abierto de las universidades. [37] El equipo imperial dirigido por Ware se trasladó a los laboratorios AEI en Aldermaston y el equipo de Oxford dirigido por Thonemann se trasladó a Harwell. [8] [b]
A principios de 1952 había numerosos dispositivos de pellizco en funcionamiento; Cousins y Ware habían construido varias máquinas posteriores bajo el nombre de Sceptre, [38] y el equipo de Harwell había construido una serie de máquinas cada vez más grandes conocidas como Mark I a Mark IV. [39] [40] En los EE. UU., Tuck construyó su Quizásatron en enero de 1952. [41] Más tarde se supo que Fuchs había pasado el trabajo del Reino Unido a los soviéticos y que ellos también habían iniciado un programa de fusión. [42]
Para todos estos grupos estaba claro que algo andaba muy mal en las máquinas de pellizco. A medida que se aplicaba la corriente, la columna de plasma dentro del tubo de vacío se volvía inestable y se rompía, arruinando la compresión. Trabajos posteriores identificaron dos tipos de inestabilidades, apodadas "torcedura" y "salchicha". [43] En la curvatura, el plasma normalmente toroidal se doblaría hacia los lados y eventualmente tocaría los bordes del recipiente. En la salchicha, el plasma se estrecharía en lugares a lo largo de la columna de plasma para formar un patrón similar a un eslabón de salchichas. [44]
Las investigaciones demostraron que ambos fueron causados por el mismo mecanismo subyacente. Cuando se aplicaba la corriente de pellizco, cualquier área del gas que tuviera una densidad ligeramente mayor crearía un campo magnético ligeramente más fuerte y colapsaría más rápido que el gas circundante. Esto provocó que el área localizada tuviera una mayor densidad, lo que creó un pellizco aún más fuerte, y a esto le seguiría una reacción descontrolada. El rápido colapso en una sola área provocaría que toda la columna se rompiera. [44] [c]
Los primeros estudios del fenómeno sugirieron que una solución al problema era aumentar la tasa de compresión. En este enfoque, la compresión se iniciaría y se detendría tan rápidamente que la mayor parte del plasma no tendría tiempo de moverse; en cambio, una onda de choque creada por esta rápida compresión sería responsable de comprimir la mayor parte del plasma. [46] Este enfoque se conoció como pellizco rápido . El equipo de Los Álamos que trabaja en la máquina lineal Columbus diseñó una versión actualizada para probar esta teoría. [47]
Otros empezaron a buscar formas de estabilizar el plasma durante la compresión, y en 1953 dos conceptos habían pasado a primer plano. Una solución fue envolver el tubo de vacío en una lámina de metal delgada pero altamente conductora. Si la columna de plasma comenzara a moverse, la corriente en el plasma induciría un campo magnético en la lámina que, debido a la ley de Lenz , empujaría hacia atrás el plasma. Esto fue más efectivo contra movimientos grandes y lentos, como todo el toro de plasma flotando dentro de la cámara. [48] [49]
La segunda solución utilizó electroimanes adicionales enrollados alrededor del tubo de vacío. Los campos magnéticos de estos imanes se mezclaron con el campo de pellizco creado por la corriente en el plasma. El resultado fue que las trayectorias de las partículas dentro del tubo de plasma ya no eran puramente circulares alrededor del toroide, sino que se retorcían como las rayas en la barra de un barbero . [13] En los EE. UU., este concepto se conocía como darle al plasma una "columna vertebral", suprimiendo inestabilidades localizadas a pequeña escala. [50] Los cálculos mostraron que esta pizca estabilizada mejoraría drásticamente los tiempos de confinamiento, y los conceptos más antiguos "de repente parecieron obsoletos". [48]
Marshall Rosenbluth , recién llegado a Los Álamos, inició un estudio teórico detallado del concepto de pellizco. Con su esposa Arianna W. Rosenbluth y Richard Garwin , desarrolló la "teoría del motor", o "teoría M", publicada en 1954. La teoría predijo que el efecto de calentamiento de la corriente eléctrica aumentaba considerablemente con la potencia del campo eléctrico. . Esto sugirió que el concepto de pellizco rápido tendría más probabilidades de tener éxito, ya que era más fácil producir corrientes más grandes en estos dispositivos. Cuando incorporó a la teoría la idea de estabilizar los imanes apareció un segundo fenómeno; para un conjunto particular y limitado de condiciones basadas en el tamaño físico del reactor, la potencia de los imanes estabilizadores y la cantidad de pellizco, las máquinas toroidales parecían ser naturalmente estables. [50]
Los investigadores estadounidenses planearon probar tanto el pellizco rápido como el pellizco estabilizado modificando sus máquinas existentes a pequeña escala. En el Reino Unido, Thomson volvió a presionar para obtener financiación para una máquina más grande. Esta vez fue recibido mucho más calurosamente y a finales de 1954 se proporcionó una financiación inicial de 200.000 libras esterlinas. [40] El trabajo de diseño continuó durante 1955, y en julio el proyecto recibió el nombre de ZETA. [51] El término "energía cero" era una frase utilizada en la industria nuclear para referirse a pequeños reactores de investigación , [52] como ZEEP , que tenían un papel similar al objetivo de ZETA de producir reacciones sin liberar energía neta. [53]
El diseño de ZETA se finalizó a principios de 1956. Se contrató a Metropolitan-Vickers para construir la máquina, que incluía un transformador de impulsos de 150 toneladas , el más grande construido en Gran Bretaña hasta ese momento. Surgió un problema grave cuando escasearon los aceros de alta resistencia necesarios para los componentes eléctricos, pero una huelga en la industria eléctrica de EE. UU. provocó un exceso repentino de material, lo que resolvió el problema. [51]
ZETA era el dispositivo de fusión más grande y potente del mundo en el momento de su construcción. [54] [d] Su toro de aluminio tenía un diámetro interno de 1 metro (3 pies 3 pulgadas) y un radio mayor de 1,6 metros (5 pies 3 pulgadas), más de tres veces el tamaño de cualquier máquina construida hasta la fecha. También fue el diseño más poderoso, incorporando un imán de inducción diseñado para inducir corrientes de hasta 100.000 amperios (amperios) en el plasma. Las modificaciones posteriores al diseño aumentaron esta potencia a 200.000 amperios. [55] Incluía ambos tipos de estabilización; sus paredes de aluminio actuaban como escudo metálico y una serie de imanes secundarios rodeaban el toroide. [53] Las ventanas colocadas en los espacios entre los imanes toroidales permitieron la inspección directa del plasma. [8]
En julio de 1954, la AERE se reorganizó en la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA). Ese año comenzaron las modificaciones al Hangar 7 de Harwell para albergar la máquina. [56] A pesar de su diseño avanzado, el precio era modesto: alrededor de 1 millón de dólares. [57] [e] A finales de 1956 estaba claro que ZETA iba a entrar en funcionamiento a mediados de 1957, superando al modelo C stellarator y a las versiones más nuevas de Maybeatron y Columbus. Debido a que estos proyectos eran secretos, basándose en la poca información disponible, la prensa concluyó que eran versiones del mismo dispositivo conceptual y que los británicos estaban muy por delante en la carrera para producir una máquina que funcionara. [53]
A partir de 1953, Estados Unidos se había concentrado cada vez más en el concepto de pellizco rápido. Algunas de estas máquinas habían producido neutrones, y estos inicialmente estaban asociados con la fusión. Hubo tanto entusiasmo que varios otros investigadores rápidamente también ingresaron al campo. Entre ellos se encontraba Stirling Colgate , pero sus experimentos rápidamente lo llevaron a concluir que la fusión no se estaba produciendo. Según la resistividad de Spitzer , la temperatura del plasma podría determinarse a partir de la corriente que lo atraviesa. Cuando Colgate realizó el cálculo, las temperaturas en el plasma estaban muy por debajo de los requisitos para la fusión. [58]
Siendo este el caso, algún otro efecto tuvo que estar creando los neutrones. Trabajos posteriores demostraron que estos eran el resultado de inestabilidades en el combustible. Las áreas localizadas de alto campo magnético actuaron como pequeños aceleradores de partículas, provocando reacciones que expulsaron neutrones. Las modificaciones que intentaron reducir estas inestabilidades no lograron mejorar la situación y en 1956 el concepto de pellizco rápido se había abandonado en gran medida. Los laboratorios estadounidenses comenzaron a centrar su atención en el concepto de pellizco estabilizado, pero para entonces ZETA estaba casi terminado y Estados Unidos estaba muy por detrás. [48]
En 1956, mientras planeaban una visita de estado muy publicitada de Nikita Khrushchev y Nikolai Bulganin al Reino Unido, los investigadores de Harwell recibieron una oferta del científico soviético Igor Kurchatov para dar una charla. Se sorprendieron cuando comenzó su charla sobre "la posibilidad de producir reacciones termonucleares en una descarga gaseosa". [59] El discurso de Kurchatov reveló los esfuerzos soviéticos para producir dispositivos de pellizco rápido similares a los diseños estadounidenses, y sus problemas con las inestabilidades en los plasmas. [59] [60] Kurchatov notó que también habían visto la liberación de neutrones, e inicialmente habían creído que provenían de la fusión. Pero cuando examinaron los números, quedó claro que el plasma no estaba lo suficientemente caliente y concluyeron que los neutrones provenían de otras interacciones. [61]
El discurso de Kurchatov dejó claro que los tres países estaban trabajando en los mismos conceptos básicos y habían encontrado el mismo tipo de problemas. Cockcroft se perdió la visita de Kurchatov porque había viajado a Estados Unidos para presionar por la desclasificación del trabajo de fusión para evitar esta duplicación de esfuerzos. Había una creencia generalizada en ambos lados del Atlántico de que compartir sus hallazgos mejoraría enormemente el progreso. Ahora que se sabía que los soviéticos estaban en el mismo nivel básico de desarrollo y que estaban interesados en hablar de ello públicamente, Estados Unidos y el Reino Unido comenzaron a considerar publicar también gran parte de su información. Esto se convirtió en un esfuerzo más amplio para publicar todas las investigaciones sobre fusión en la segunda conferencia Átomos para la Paz en Ginebra en septiembre de 1958. [62]
En junio de 1957, el Reino Unido y los EE. UU. finalizaron su acuerdo para compartir datos entre sí en algún momento antes de la conferencia, a la que tanto el Reino Unido como los EE. UU. planeaban asistir "con fuerza". Los términos finales se alcanzaron el 27 de noviembre de 1957, abriendo los proyectos a la inspección mutua y solicitando una amplia divulgación pública de todos los datos en enero de 1958. [63]
ZETA comenzó a funcionar a mediados de agosto de 1957, [56] inicialmente con hidrógeno. Estas pruebas demostraron que ZETA no sufría los mismos problemas de estabilidad que las máquinas de pellizco anteriores habían visto y sus plasmas duraban milisegundos, en lugar de microsegundos, una mejora total de tres órdenes de magnitud . [64] La longitud de los pulsos permitió medir la temperatura del plasma mediante medios espectrográficos ; Aunque la luz emitida era de banda ancha, el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales de ligeras impurezas en el gas (en particular oxígeno) condujo a temperaturas calculables. [sesenta y cinco]
Incluso en las primeras ejecuciones experimentales, el equipo comenzó a introducir gas deuterio en la mezcla y comenzó a aumentar la corriente a 200.000 amperios. En la tarde del 30 de agosto, la máquina produjo enormes cantidades de neutrones , del orden de un millón por impulso o "disparo" experimental. [66] Siguió un esfuerzo por duplicar los resultados y eliminar posibles fallos de medición. [67]
Mucho dependía de la temperatura del plasma; si la temperatura fuera baja, los neutrones no estarían relacionados con la fusión. Las mediciones espectrográficas sugirieron temperaturas del plasma entre 1 y 5 millones de K; a esas temperaturas, la tasa de fusión prevista estaba dentro de un factor de dos del número de neutrones observados. Parecía que ZETA había alcanzado el objetivo largamente buscado de producir un pequeño número de reacciones de fusión, para lo cual fue diseñado. [57]
Los esfuerzos estadounidenses habían sufrido una serie de reveses técnicos menores que retrasaron sus experimentos aproximadamente un año; Tanto el nuevo Maybeatron S-3 como el Columbus II no comenzaron a funcionar hasta aproximadamente al mismo tiempo que ZETA a pesar de ser experimentos mucho más pequeños. Sin embargo, cuando estos experimentos comenzaron a funcionar a mediados de 1957, también comenzaron a generar neutrones. [68] En septiembre, tanto estas máquinas como un nuevo diseño, DCX en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , parecían tan prometedores que Edward Gardner informó que:
... existe una clara posibilidad de que la máquina de Oak Ridge o la de Los Alamos hayan confirmado para enero de 1958 la producción de neutrones termonucleares. [68]
La noticia era demasiado buena para guardarla reprimida. En septiembre empezaron a aparecer filtraciones tentadoras. En octubre, Thonemann, Cockcroft y William P. Thompson insinuaron que se obtendrían resultados interesantes. En noviembre, un portavoz de la UKAEA señaló: "Todos los indicios indican que se ha logrado la fusión". [57] Basándose en estas sugerencias, el Financial Times dedicó un artículo completo de dos columnas al tema. Desde entonces y principios de 1958, la prensa británica publicó un promedio de dos artículos por semana sobre ZETA. [53] Incluso los periódicos estadounidenses recogieron la historia; El 17 de noviembre, The New York Times informó sobre los indicios de éxito. [69]
Aunque los británicos y los EE.UU. habían acordado publicar sus datos completos, en ese momento el director general del programa estadounidense, Lewis Strauss , decidió retrasar la publicación. [63] Tuck argumentó que el campo parecía tan prometedor que sería prematuro publicar datos antes de que los investigadores supieran que definitivamente se estaba produciendo una fusión. [48] Strauss estuvo de acuerdo y anunció que retendrían sus datos durante un período para verificar sus resultados. [63]
A medida que el asunto se hizo más conocido en la prensa, el 26 de noviembre se planteó la cuestión de la publicación en la Cámara de los Comunes . Respondiendo a una pregunta de la oposición, el líder de la Cámara anunció públicamente los resultados y explicó el retraso en la publicación debido al acuerdo entre el Reino Unido y los Estados Unidos. [69] La prensa británica interpretó esto de manera diferente, [53] afirmando que Estados Unidos estaba dando largas al asunto porque no podía replicar los resultados británicos. [70]
Las cosas llegaron a un punto crítico el 12 de diciembre cuando un ex miembro del parlamento, Anthony Nutting , escribió un artículo en el New York Herald Tribune afirmando:
Algunas personas me han sugerido sombríamente que la verdadera razón de esta renuencia estadounidense a publicar esta trascendental noticia es la política. Señalan la pérdida de prestigio que sufriría la Administración si tuviera que admitir que Gran Bretaña, al igual que Rusia, estaba por delante de Estados Unidos en desarrollo científico. Prefiero creer que esta actitud surge de una aplicación servil y equivocada de la seguridad. Pero, cualquiera que sea la razón, muestra una deplorable idea errónea en Washington sobre el verdadero significado de la asociación occidental y la verdadera naturaleza de la amenaza soviética. [71]
El artículo provocó una oleada de actividad en la administración Macmillan . Habiendo planeado originalmente publicar sus resultados en una reunión programada de la Royal Society , hubo gran preocupación sobre si invitar a los estadounidenses y a los soviéticos, especialmente porque creían que los estadounidenses estarían muy molestos si llegaran los soviéticos, pero igual de molestos si ellos no fueron invitados y el evento fue exclusivamente británico. [72] El asunto finalmente llevó a la UKAEA a hacer un anuncio público de que Estados Unidos no estaba reteniendo los resultados de ZETA, [73] pero esto enfureció a la prensa local, que continuó afirmando que Estados Unidos se estaba demorando para permitirles ponerse al día. [57] [f]
Cuando se firmó el acuerdo de intercambio de información en noviembre, se obtuvo un beneficio adicional: se permitió que los equipos de los distintos laboratorios se visitaran entre sí. El equipo estadounidense, incluido Stirling Colgate, Lyman Spitzer, Jim Tuck y Arthur Edward Ruark , visitaron ZETA y concluyeron que había una "gran probabilidad" de que los neutrones procedieran de la fusión. [63]
A su regreso a Estados Unidos, Spitzer calculó que algo andaba mal con los resultados de ZETA. Observó que la temperatura aparente de 5 millones de K no tendría tiempo de desarrollarse durante los cortos tiempos de encendido. ZETA no descargó suficiente energía en el plasma para calentarlo a esas temperaturas tan rápidamente. Si la temperatura aumentara al ritmo relativamente lento que sugerían sus cálculos, la fusión no se produciría en las primeras etapas de la reacción y no se podría agregar energía que pudiera compensar la diferencia. Spitzer sospechó que la lectura de temperatura no era precisa. Dado que fue la lectura de temperatura la que sugirió que los neutrones procedían de la fusión, si la temperatura era más baja, implicaba que los neutrones no tenían origen en la fusión. [74]
Colgate había llegado a conclusiones similares. A principios de 1958, él, Harold Furth y John Ferguson iniciaron un estudio exhaustivo de los resultados de todas las máquinas pellizcadoras conocidas. En lugar de inferir la temperatura a partir de la energía de los neutrones, utilizaron la conductividad del propio plasma, basándose en las bien conocidas relaciones entre temperatura y conductividad . Llegaron a la conclusión de que las máquinas estaban produciendo temperaturas quizás 1 ⁄ 10 de lo que sugerían los neutrones, ni mucho menos lo suficientemente altas como para explicar la cantidad de neutrones que se producían, independientemente de su energía. [74]
En ese momento, las últimas versiones de los dispositivos de pellizco estadounidenses, Maybeatron S-3 y Columbus S-4, estaban produciendo sus propios neutrones. El mundo de la investigación sobre la fusión alcanzó un punto culminante. En enero, los resultados de experimentos de pellizco en Estados Unidos y el Reino Unido anunciaron que se estaban liberando neutrones y que aparentemente se había logrado la fusión. Se ignoraron los recelos de Spitzer y Colgate. [74]
La publicación de datos sobre fusión, planeada desde hace mucho tiempo, se anunció al público a mediados de enero. En la edición del 25 de enero de 1958 de Nature se publicó en profundidad una cantidad considerable de material de los dispositivos ZETA y Sceptre del Reino Unido , que también incluía resultados de Quizásatron S-3, Columbus II y Columbus S-2 de Los Alamos. La prensa británica estaba furiosa. El Observer escribió que "las tácticas del almirante Strauss han agriado lo que debería ser un emocionante anuncio de progreso científico hasta el punto de convertirse en un sórdido episodio de política de prestigio". [57]
Los resultados fueron típicos del lenguaje científico normalmente sobrio y, aunque se anotaron los neutrones, no hubo afirmaciones sólidas sobre su origen. [47] El día antes del lanzamiento, Cockcroft, director general de Harwell, convocó una conferencia de prensa para presentar los resultados a la prensa británica. Se puede ver alguna indicación de la importancia del evento en la presencia de un equipo de campo de la televisión de la BBC , algo poco común en ese momento. [75] Comenzó presentando el programa de fusión y la máquina ZETA, y luego señaló:
En todos los experimentos sobre descargas toroidales se han observado neutrones en cantidades aproximadas a las que se esperarían si se produjeran reacciones termonucleares. Sin embargo, es bien sabido, por experimentos anteriores llevados a cabo en laboratorios rusos y de otros países, que las inestabilidades en el canal de corriente pueden dar lugar a fuertes campos eléctricos que aceleran los deuterones y pueden producir neutrones. Por lo tanto, en ningún caso se ha demostrado definitivamente que los neutrones se deban al movimiento aleatorio del deuterio asociado a una temperatura del orden de cinco millones de grados... Sin embargo, su origen quedará claro tan pronto como se determine el número de neutrones. La producción se puede incrementar aumentando la corriente y las temperaturas.
— John Cockcroft , 24 de enero de 1958 [76]
Los periodistas presentes en la reunión no quedaron satisfechos con esta evaluación y continuaron presionando a Cockcroft sobre la cuestión de los neutrones. Después de que se le preguntara varias veces, finalmente afirmó que, en su opinión, estaba "90 por ciento seguro" de que procedían de una fusión. [76] Esto fue imprudente; una declaración de opinión de un premio Nobel se tomó como una declaración de hecho. [75] Al día siguiente, los periódicos dominicales se cubrieron con la noticia de que se había logrado la fusión en ZETA, a menudo con afirmaciones sobre cómo el Reino Unido estaba ahora a la cabeza en la investigación de la fusión. Cockcroft promocionó aún más los resultados en la televisión tras su publicación, afirmando: "Para Gran Bretaña, este descubrimiento es mayor que el Sputnik ruso". [77] [78]
Como estaba previsto, EE.UU. también publicó una gran cantidad de resultados de sus máquinas pellizcadoras más pequeñas. Muchos de ellos también emitían neutrones, aunque ZETA se estabilizó durante períodos mucho más largos y generó más neutrones, en un factor de aproximadamente 1000. [79] Cuando se le preguntó sobre el éxito en el Reino Unido, Strauss negó que Estados Unidos estuviera atrasado en el proceso. carrera de fusión. Al informar sobre el tema, The New York Times optó por centrarse en Columbus II de Los Álamos, mencionando sólo a ZETA más adelante en el artículo, y luego concluyó que los dos países estaban "cabeza a cabeza". [80] Otros informes de Estados Unidos dieron en general el mismo apoyo a ambos programas. [81] Los periódicos del resto del mundo fueron más favorables al Reino Unido; Radio Moscú llegó incluso a felicitar públicamente al Reino Unido sin mencionar en absoluto los resultados de Estados Unidos. [57]
Como ZETA siguió generando resultados positivos, se hicieron planes para construir una máquina de seguimiento. El nuevo diseño se anunció en mayo; ZETA II sería una máquina significativamente más grande de 14 millones de dólares cuyo objetivo explícito sería alcanzar los 100 millones de K y generar energía neta. [57] Este anuncio recibió elogios incluso en Estados Unidos; El New York Times publicó una historia sobre la nueva versión. [82] Máquinas similares a ZETA se estaban anunciando en todo el mundo; La Universidad de Osaka anunció que su máquina pellizcadora tenía incluso más éxito que ZETA, el equipo de Aldermaston anunció resultados positivos de su máquina Sceptre que costó sólo 28.000 dólares estadounidenses y se construyó un nuevo reactor en la Universidad de Uppsala que se presentó públicamente ese mismo año. [54] El Instituto Efremov en Leningrado comenzó la construcción de una versión más pequeña de ZETA, aunque todavía más grande que la mayoría, conocida como Alpha. [83]
Spitzer ya había llegado a la conclusión de que la teoría conocida sugería que ZETA no estaba ni cerca de las temperaturas que el equipo afirmaba, y durante la publicidad que rodeó la publicación del trabajo, sugirió que "algún mecanismo desconocido parecería estar involucrado". [80] Otros investigadores en los EE. UU., en particular Furth y Colgate, fueron mucho más críticos y dijeron a cualquiera que quisiera escuchar que los resultados eran una tontería. [80] En la Unión Soviética, Lev Artsimovich se apresuró a traducir el artículo de Nature y, después de leerlo, declaró "¡Chush sobachi!" (mierda). [84]
Cockcroft había declarado que recibían muy pocos neutrones del dispositivo para medir su espectro o su dirección. [76] No hacerlo significaba que no podían eliminar la posibilidad de que los neutrones estuvieran siendo liberados debido a efectos eléctricos en el plasma, el tipo de reacciones que Kurchatov había señalado anteriormente. [85]
De hecho, tales mediciones habrían sido fáciles de realizar. [85] En el mismo hangar reconvertido que albergaba a ZETA estaba el esfuerzo del Sincrociclotrón Harwell dirigido por Basil Rose. Este proyecto había construido una cámara de niebla sensible de difusión de alta presión como detector principal del ciclotrón. Rose estaba convencida de que sería capaz de medir directamente las energías y trayectorias de los neutrones. [85]
En una serie de experimentos realizados en febrero y marzo de 1958, demostró que los neutrones tenían una alta direccionalidad, lo que contrastaba con un origen de fusión que se esperaría que tuviera una dirección aleatoria. Para demostrar esto aún más, hizo funcionar la máquina con la corriente de descarga corriendo "al revés". Si los neutrones hubieran procedido de fusión, la velocidad neta debería haber sido cero, es decir, deberían haber viajado en direcciones aleatorias. [86] Las mediciones mostraron que este no era el caso, no solo había una direccionalidad clara en su liberación, sino que se revertía cuando se invertía la corriente. Esto sugirió que los neutrones eran el resultado de la propia corriente eléctrica, no de reacciones de fusión dentro del plasma. [85] [87] [88] También notaron que la energía de los neutrones era extremadamente cercana a la de una reacción de fusión DD, lo que sugería que la fuente eran partículas D que chocaban con un sólido en el reactor. [86]
A esto le siguieron experimentos similares en Quizásatron y Columbus, que demostraron los mismos problemas. [85] El problema era una nueva forma de inestabilidad, las "microinestabilidades" o inestabilidades MHD, que eran causadas por señales onduladas en el plasma. [89] Esto se había predicho, pero mientras que la torcedura estaba en la escala de todo el plasma y podía verse fácilmente en fotografías, estas microinestabilidades eran demasiado pequeñas y se movían rápidamente para detectarlas fácilmente, y simplemente no se habían notado antes. Pero al igual que el problema, cuando se desarrollaron estas inestabilidades, se desarrollaron áreas de enorme potencial eléctrico, acelerando rápidamente los protones en el área. Estos a veces chocaban con neutrones en el plasma o en las paredes del contenedor, expulsándolos mediante espalación de neutrones . [90] Este es el mismo proceso físico que había estado creando neutrones en diseños anteriores, el problema que Cockcroft había mencionado durante los comunicados de prensa, pero su causa subyacente era más difícil de ver y en ZETA eran mucho más poderosos. La promesa de un pinchazo estabilizado desapareció. [85]
Cockcroft se vio obligado a publicar una humillante retractación el 16 de mayo de 1958, afirmando que "está haciendo exactamente el trabajo que esperábamos y está funcionando exactamente como esperábamos". [91] Le Monde llevó la cuestión a un titular de primera plana en junio, señalando: "Al contrario de lo que se anunció hace seis meses en Harwell, los expertos británicos confirman que la energía termonuclear no ha sido 'domesticada ' ". [92] El evento provocó un escalofrío en todo el campo; No fueron sólo los británicos los que parecieron tontos, todos los demás países involucrados en la investigación de la fusión se apresuraron a subirse al carro. [92]
A partir de 1955, [93] Cockcroft había presionado para el establecimiento de un nuevo sitio para la construcción de múltiples prototipos de reactores de fisión productores de energía. Christopher Hinton se opuso firmemente a esto , y estalló un furioso debate dentro de la UKAEA sobre el tema. [g] Cockcroft finalmente ganó el debate y, a finales de 1958, la UKAEA formó AEE Winfrith en Dorset , donde finalmente construyeron varios diseños de reactores experimentales. [95]
Cockcroft también había presionado para que el reactor ZETA II se alojara en el nuevo emplazamiento. Sostuvo que Winfrith estaría en mejores condiciones para construir el gran reactor y que el sitio no clasificado se adaptaría mejor a la investigación ahora no clasificada. Esto llevó a lo que se ha descrito como "lo más parecido a una rebelión que los científicos individualistas de Harwell podrían montar". [96] Thonemann dejó en claro que no estaba interesado en mudarse a Dorset y sugirió que varios otros miembros de alto rango también renunciarían en lugar de mudarse. Luego se tomó un año sabático en la Universidad de Princeton . Todo el asunto supuso una gran tensión para Basil Schonland , quien se hizo cargo de la división de Investigación cuando Cockcroft se fue en octubre de 1959 para convertirse en el Maestro del recién formado Churchill College de Cambridge . [97]
Mientras esto ocurría, la propuesta original de ZETA II había ido creciendo cada vez más, especificando eventualmente corrientes tan poderosas como el Toro Europeo Conjunto que se construyó años después. [97] Como parecía que esto estaba más allá del estado del arte, [98] el proyecto finalmente fue cancelado en febrero de 1959. [99] Una nueva propuesta pronto tomó su lugar, el Experimento de Estabilidad de Corriente Intermedia (ICSE) . [83] [100] ICSE fue diseñado para aprovechar otros efectos estabilizadores observados en la teoría M, que sugería que pellizcos muy rápidos harían que la corriente fluya solo en la capa externa del plasma, que debería ser mucho más estable. Con el tiempo, esta máquina llegó a tener aproximadamente el mismo tamaño que ZETA; ICSE tenía un diámetro mayor de 6 m y un diámetro menor de 1 m, y estaba alimentado por un banco de condensadores que almacenaban 10 MJ a 100 kV. [100]
Harwell era tan inadecuado para ICSE como lo era para ZETA II, por lo que Schonland se acercó al gobierno con la idea de un nuevo sitio para la investigación de la fusión ubicado cerca de Harwell. Le sorprendió descubrir que estaban contentos con la idea, ya que esto limitaría el empleo en Harwell, cuya nómina se estaba volviendo demasiado compleja para administrar. Estudios adicionales demostraron que el costo de construir un nuevo sitio se compensaría con los ahorros que se obtendrían si se mantuviera el sitio cerca de Harwell; Si ICSE se construyera en Winfrith, los costos de viaje entre los sitios serían considerables. En mayo de 1959, la UKAEA compró RNAS Culham , a unas 10 millas (16 km) de Harwell. [95] La construcción de ICSE comenzó más tarde ese año, comenzando con un edificio de un acre para albergarlo, conocido como "D-1". [100]
Mientras tanto, prosiguió el trabajo en ZETA para comprender mejor qué estaba causando las nuevas formas de inestabilidad. Nuevas técnicas de diagnóstico demostraron que las energías de los electrones eran muy bajas, del orden de 10 eV (aproximadamente 100.000 K), mientras que las temperaturas de los iones eran algo más altas, a 100 eV. Ambos apuntaban a una rápida pérdida de energía en el plasma, lo que a su vez sugería que el combustible era turbulento y escapaba de su confinamiento para golpear las paredes de la cámara donde se enfriaba rápidamente. Se hizo una presentación completa de los resultados en la Conferencia de Salzburgo de 1961, donde la delegación soviética presentó resultados muy similares en su clon ZETA, Alpha. [83]
La fuente de esta turbulencia no se identificó claramente en ese momento, pero el equipo sugirió que se debía a modos resistivos impulsados por corriente; Si no se utilizara la suposición simplificadora de que el plasma no tenía resistencia macroscópica, naturalmente aparecerían nuevas inestabilidades. Cuando el nuevo director de la UKAEA, William Penney , se enteró de que el diseño del ICSE también se basaba en el supuesto de ausencia de resistencia, canceló el proyecto en agosto de 1960. [101] Otros equipos recogieron las piezas del reactor parcialmente ensamblado. [102]
Thonemann había regresado a estas alturas y encontró muchas cosas en las que no estaba de acuerdo con respecto a la CISE. Exigió que se le permitiera establecer un nuevo grupo de fusión para permanecer en Harwell en ZETA. [103] ZETA siguió siendo la máquina toroidal más grande del mundo durante algún tiempo, [83] y tuvo una carrera productiva durante poco más de una década, pero a pesar de sus éxitos posteriores, ZETA siempre fue conocida como un ejemplo de la locura británica. . [92] [104]
El fracaso de ZETA se debió a información limitada; Utilizando las mejores mediciones disponibles, ZETA estaba devolviendo varias señales que sugerían que los neutrones se debían a la fusión. Las medidas de temperatura originales se realizaron examinando el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales de los átomos en el plasma. [65] La inexactitud de la medición y los resultados espurios causados por los impactos de electrones con el contenedor llevaron a mediciones engañosas basadas en las impurezas, no en el plasma en sí. Durante la siguiente década, ZETA se utilizó continuamente en un esfuerzo por desarrollar mejores herramientas de diagnóstico para resolver estos problemas. [105]
Este trabajo finalmente desarrolló un método que se utiliza hasta el día de hoy. La introducción de los láseres proporcionó una nueva solución gracias a un descubrimiento británico conocido como dispersión de Thomson . Los láseres tienen un control de frecuencia extremadamente preciso y estable y la luz que emiten interactúa fuertemente con los electrones libres. Un láser que incide en el plasma se reflejará en los electrones y, durante este proceso, el movimiento de los electrones provocará un desplazamiento Doppler. La velocidad de los electrones es función de su temperatura, por lo que al comparar la frecuencia antes y después de las colisiones, se podría medir la temperatura de los electrones con un grado de precisión extremadamente alto. [106] Al "invertir" el sistema, la temperatura de los iones también podría medirse directamente. [107]
Durante la década de 1960, ZETA no fue el único experimento que sufrió problemas de rendimiento inesperados. Los problemas con la difusión del plasma a través de los campos magnéticos plagaron tanto el programa de espejo magnético como el de estelarador, a velocidades que la teoría clásica no podía explicar. [108] Agregar más campos no pareció corregir los problemas en ninguno de los diseños existentes. El trabajo se ralentizó drásticamente a medida que equipos de todo el mundo intentaban comprender mejor la física de los plasmas en sus dispositivos. Pfirsch y Schluter fueron los primeros en hacer un avance significativo, sugiriendo que se necesitarían máquinas mucho más grandes y potentes para corregir estos problemas. [109] Una actitud de pesimismo se arraigó en todo el campo. [110]
En 1968 tuvo lugar una reunión de investigadores de la fusión en Novosibirsk , donde, para sorpresa de todos, los anfitriones soviéticos presentaron su trabajo sobre sus diseños de tokamak que tenían cifras de rendimiento que ningún otro experimento estaba siquiera cerca de igualar. [111] El último de sus diseños, el T-3, producía energías electrónicas de 1000 eV , en comparación con aproximadamente 10 eV en ZETA. [83] [112] Esto correspondía a una temperatura del plasma de aproximadamente 10 millones de K. [106] Aunque el equipo soviético era muy respetado, los resultados fueron tan buenos que existía una seria preocupación de que sus mediciones indirectas de temperatura pudieran no ser confiables y hubieran caído. presa de un problema de medición como el que había ocurrido con ZETA. [110] Spitzer, una vez más, expresó su escepticismo con bastante fuerza, provocando un agrio debate con Artsimovich. [113] [114]
Los soviéticos estaban igualmente preocupados por esto, y aunque estábamos en el apogeo de la Guerra Fría , Artsimovich invitó a UKAEA a llevar su sistema láser al Instituto Kurchatov y medir de forma independiente el rendimiento. [115] Artsimovich había llamado previamente a su sistema "brillante". [116] El equipo pasó a ser conocido como "los cinco Culham", [106] realizó una serie de mediciones a finales de 1968 y principios de 1969. El artículo resultante se publicó en noviembre de 1969 [117] y convenció al campo de investigación de la fusión de que el tokamak era de hecho, alcanzó los niveles de desempeño que afirmaban los soviéticos. El resultado fue una "verdadera estampida" de construcción de tokamak en todo el mundo, [89] y sigue siendo el dispositivo más estudiado en el campo de la fusión. [13]
Los Tokamaks son máquinas de pellizco toroidales. La diferencia clave son las fortalezas relativas de los campos. [112] En las máquinas de pellizco estabilizadas, la mayor parte del campo magnético en el plasma fue generado por la corriente inducida en él. La intensidad de los campos de estabilización externos era mucho menor y sólo penetraban en las capas exteriores de la masa de plasma. El tokamak revirtió esto; los imanes externos eran mucho más potentes y la corriente de plasma se reducía considerablemente en comparación. Artsimovich lo expresó de esta manera:
La intensidad del campo longitudinal debe ser muchas veces mayor que la intensidad del campo azimutal producido por la corriente. Ésta constituye la principal diferencia entre los dispositivos tokamak y los sistemas con campos longitudinales relativamente débiles, como el conocido dispositivo inglés Zeta. [89]
Esta diferencia hoy forma parte de un concepto general conocido como factor de seguridad , denotado q. Tiene que ser mayor que uno para mantener la estabilidad durante una descarga; en ZETA era aproximadamente 1 ⁄ 3 . Una máquina tipo ZETA podría alcanzar este q, pero requeriría imanes externos enormemente potentes para igualar los campos igualmente grandes que genera la corriente. El método tokamak resolvió este problema utilizando menos corriente de pellizco; esto hizo que el sistema fuera estable pero significó que la corriente ya no podría usarse para calentar el plasma. Los diseños de Tokamak requieren algún tipo de calefacción externa. [89]
En 1965, el recién inaugurado laboratorio Culham acogió lo que se había convertido en una reunión periódica de investigadores internacionales de la fusión. De todos los trabajos presentados, sólo estuvieron presentes dos trabajos sobre pinch estabilizado, ambos sobre ZETA. Spitzer no los mencionó durante los comentarios iniciales. [118]
Normalmente, el pulso de electricidad enviado a ZETA formaba un pulso de corriente con una forma similar a una distribución de Poisson , aumentando rápidamente y luego disminuyendo. Uno de los artículos señaló que la estabilidad del plasma alcanzó un máximo justo después de que la corriente comenzó a disminuir, y luego duró más que el pulso de corriente en sí. Dado que la corriente estaba allí para proporcionar confinamiento, que el plasma realmente aumentara durante el confinamiento a medida que se reducía la corriente era completamente inesperado. Este fenómeno se denominó "quiescencia". [118]
Tres años más tarde, en la misma reunión en la que se publicaron por primera vez los resultados soviéticos con el tokamak T-3, un artículo de Robinson y King examinó el período de inactividad. Determinaron que se debía a que el campo magnético toroidal original se invirtió, creando una configuración más estable. En ese momento, la enormidad de los resultados del T-3 eclipsó este resultado. [119]
John Bryan Taylor abordó el tema y comenzó un estudio teórico detallado del concepto, publicando un artículo innovador en 1974 sobre el tema. Demostró que a medida que el campo magnético que generaba el pellizco se relajaba, interactuaba con los campos estabilizadores preexistentes, creando un campo magnético autoestable. El fenómeno fue impulsado por el deseo del sistema de preservar la helicidad magnética , lo que sugirió varias formas de mejorar el tiempo de confinamiento. [120]
Aunque la fuerza estabilizadora fue menor que la fuerza disponible en el momento del aprisionamiento, duró considerablemente más. Parecía que se podía construir un reactor que se acercara al criterio de Lawson desde una dirección diferente, utilizando tiempos de confinamiento prolongados en lugar de una mayor densidad. En concepto, esto era similar al enfoque stellarator, y aunque tendría una intensidad de campo menor que esas máquinas, la energía necesaria para mantener el confinamiento era mucho menor. Hoy en día, este enfoque se conoce como pellizco de campo inverso (RFP) y ha sido un campo de estudio continuo. [121] [h]
El estudio de Taylor sobre la relajación en el estado inverso lo llevó a desarrollar una comprensión teórica más amplia del papel de la helicidad magnética y los estados de energía mínima, lo que avanzó enormemente en la comprensión de la dinámica del plasma. El estado de energía mínima, conocido como " estado de Taylor ", es particularmente importante para la comprensión de nuevos enfoques de fusión en la clase de toroides compactos . Taylor pasó a estudiar la transformación de globo, un problema que estaba ocurriendo en las últimas máquinas toroidales de alto rendimiento a medida que se formaban formas de onda a gran escala en el plasma. Su trabajo en la investigación de la fusión le valió el Premio James Clerk Maxwell de Física del Plasma en 1999 . [123]
Culham abrió oficialmente sus puertas en 1965 y varios equipos comenzaron a abandonar los sitios anteriores durante este período. Un equipo mantuvo a ZETA en funcionamiento hasta septiembre de 1968. [124] [125] El Hangar 7, que albergaba a ZETA y otras máquinas, fue demolido durante el ejercicio 2005/2006. [126]
51°34′48″N 1°18′30″O / 51.5799°N 1.3082°W / 51.5799; -1.3082