Sceptre fue una serie de dispositivos de energía de fusión temprana basados en el concepto Z-pinch de confinamiento de plasma , construidos en el Reino Unido a partir de 1956. Eran las versiones definitivas de una serie de dispositivos que remontan su historia a las máquinas de pinza originales, construidas en el Imperial College de Londres por Cousins y Ware en 1947. Cuando el trabajo de fusión del Reino Unido fue clasificado en 1950, el equipo de Ware fue trasladado a los laboratorios de Associated Electrical Industries (AEI) en Aldermaston . El equipo trabajó en los problemas asociados con el uso de tubos de metal con altos voltajes, en apoyo de los esfuerzos en Harwell . Cuando la máquina ZETA de Harwell aparentemente produjo fusión, AEI construyó rápidamente una máquina más pequeña, Sceptre, para probar sus resultados. Sceptre también produjo neutrones, aparentemente confirmando el experimento ZETA. Más tarde se descubrió que los neutrones eran espurios, y el trabajo del Reino Unido en Z-pinch terminó a principios de la década de 1960.
La investigación sobre la fusión en el Reino Unido comenzó con un presupuesto limitado en el Imperial College en 1946. Cuando George Paget Thomson no logró obtener financiación del Atomic Energy Research Establishment (AERE) de John Cockcroft , entregó el proyecto a dos estudiantes, Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [1] ). Comenzaron a trabajar en el concepto en enero de 1947, [2] utilizando un tubo de vidrio y piezas de radar antiguas. Su pequeño dispositivo experimental era capaz de generar breves destellos de luz, pero la naturaleza de la luz seguía siendo un misterio ya que no pudieron encontrar un método para medir su temperatura. [3]
El trabajo no generó demasiado interés, aunque Jim Tuck , que estaba interesado en todo lo relacionado con la fusión, se dio cuenta. Conoció a Peter Thonemann , otro científico fascinado por la fusión , y ambos desarrollaron una pequeña máquina similar en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Tuck se fue a la Universidad de Chicago antes de que se construyera el dispositivo. [4] Después de mudarse a Los Álamos , Tuck introdujo el concepto de pinza allí y, finalmente, construyó el Maybeatron siguiendo la misma línea.
A principios de 1950, Klaus Fuchs admitió haber entregado secretos atómicos del Reino Unido y los Estados Unidos a la URSS. Como los dispositivos de fusión generarían grandes cantidades de neutrones , que podrían usarse para enriquecer combustible nuclear para bombas atómicas , el Reino Unido clasificó inmediatamente todo su trabajo de fusión. La investigación se consideró lo suficientemente importante como para continuar, pero era difícil mantener el secreto en un entorno universitario. Se tomó la decisión de trasladar a ambos equipos a ubicaciones seguras. El equipo imperial bajo la dirección de Ware se estableció en los nuevos laboratorios de Associated Electrical Industries (AEI) en Aldermaston en noviembre [2], mientras que el equipo de Oxford bajo la dirección de Thonemann se trasladó a UKAEA Harwell. [5]
En 1951 ya había numerosos dispositivos de pinza en funcionamiento; Cousins y Ware habían construido varias máquinas posteriores, Tuck construyó su Maybeatron y otro equipo en Los Álamos construyó una máquina lineal conocida como Columbus. Más tarde se supo que Fuchs había pasado información sobre los primeros trabajos del Reino Unido a los soviéticos y que también habían iniciado un programa de pinza.
En 1952, ya era evidente para todos que algo no iba bien en las máquinas. Al aplicar la corriente, el plasma primero se comprimía como era de esperar, pero luego desarrollaba una serie de "curvas" que evolucionaban hasta adoptar una forma sinusoidal. Cuando las partes externas chocaban con las paredes del recipiente, una pequeña cantidad del material se desprendía en el plasma, enfriándolo y arruinando la reacción. Esta denominada "inestabilidad de las curvas" parecía ser un problema fundamental.
En Aldermaston, el equipo Imperial quedó bajo la dirección de Thomas Allibone . En comparación con el equipo de Harwell, el equipo de Aldermaston decidió centrarse en sistemas de pinzamiento más rápidos. Su fuente de alimentación consistía en un gran banco de condensadores con una capacidad total de 66.000 julios [6] (cuando estaba completamente expandido) conmutados por descargadores de chispas que podían descargar la energía almacenada en el sistema a altas velocidades. Los dispositivos de Harwell utilizaban corrientes de pinzamiento de ascenso más lento y tenían que ser más grandes para alcanzar las mismas condiciones. [7]
Una de las primeras sugerencias para resolver la inestabilidad de la torcedura fue utilizar tubos de metal altamente conductores para la cámara de vacío en lugar de vidrio. A medida que el plasma se acercaba a las paredes del tubo, la corriente en movimiento inducía un campo magnético en el metal. Este campo, debido a la ley de Lenz , se oponía al movimiento del plasma hacia él, con la esperanza de que ralentizara o detuviera su aproximación a los lados del recipiente. Tuck se refirió a este concepto como "darle una columna vertebral al plasma".
Allibone, originario de Metropolitan-Vickers , había trabajado en tubos de rayos X con paredes de metal que utilizaban pequeños insertos de porcelana para aislarlos eléctricamente. Sugirió intentar lo mismo para los experimentos de fusión, lo que podría conducir a temperaturas más altas de las que podían soportar los tubos de vidrio. Comenzaron con un tubo completamente de porcelana de 20 cm de eje mayor y pudieron inducir 30 kA de corriente en el plasma antes de que se rompiera. Después de esto, construyeron una versión de aluminio, que se dividió en dos partes con insertos de mica entre ellas. Esta versión sufrió arcos eléctricos entre las dos mitades. [2]
Convencidos de que el tubo de metal era el camino a seguir, el equipo inició una larga serie de experimentos con diferentes materiales y técnicas de construcción para resolver el problema del arco eléctrico. En 1955, habían desarrollado uno con 64 segmentos que parecía prometedor y, utilizando un banco de condensadores de 60 kJ, pudieron inducir descargas de 80 kA. [6] Aunque el tubo era una mejora, también sufría las mismas inestabilidades de torsión y se abandonó el trabajo sobre este enfoque. [8]
Para caracterizar mejor el problema, el equipo comenzó a construir un toro de aluminio más grande con un diámetro de 12 pulgadas y 45 pulgadas, e insertó dos secciones rectas para estirarlo hasta darle forma de pista de carreras. Las secciones rectas, conocidas como el "pimentero", tenían una serie de agujeros perforados en ellas, en ángulo de modo que todos apuntaran a un único punto focal a cierta distancia del aparato. [6] Una cámara colocada en el punto focal pudo obtener imágenes de toda la columna de plasma, lo que mejoró enormemente su comprensión del proceso de inestabilidad. [8]
Al estudiar el tema, Shavranov, Taylor y Rosenbluth desarrollaron la idea de añadir un segundo campo magnético al sistema, un campo toroidal de estado estable generado por imanes que giran alrededor del tubo de vacío. El segundo campo obligaría a los electrones y deuterones del plasma a orbitar las líneas de fuerza, reduciendo los efectos de las pequeñas imperfecciones en el campo generado por el propio pinchazo. Esto despertó un considerable interés tanto en los EE. UU. como en el Reino Unido. Thomson, armado con la posibilidad de un dispositivo funcional y un interés evidente en los EE. UU., obtuvo la aprobación para una máquina muy grande, ZETA.
En Aldermaston, utilizando la misma información, el equipo de Ware calculó que con los 60 kJ disponibles en el banco de condensadores existente, alcanzarían las condiciones requeridas en un tubo de cuarzo recubierto de cobre de 2 pulgadas de diámetro interior y 10 pulgadas de diámetro, o una versión totalmente de cobre de 2 pulgadas de diámetro interior y 18 pulgadas de ancho. El trabajo en ambos comenzó en paralelo, como Sceptre I y II. [8]
Sin embargo, antes de que se completara ninguno de los dos, el equipo ZETA en Harwell ya había logrado plasmas estables en agosto de 1957. El equipo de Aldermaston se apresuró a completar su sistema fotográfico más grande. Los arcos eléctricos y los cortocircuitos entre los segmentos del tubo se convirtieron en un problema, pero el equipo ya había aprendido que "disparar en seco" el aparato cientos de veces reduciría este efecto. [9] Después de abordar el arco eléctrico, otros experimentos demostraron temperaturas de alrededor de 1 millón de grados. [10] El sistema funcionó como se esperaba, produciendo imágenes claras de las inestabilidades de las torceduras utilizando fotografía de alta velocidad y gas argón para producir una imagen brillante. [6]
El equipo retiró entonces las secciones rectas, añadió imanes de estabilización y rebautizó la máquina como Sceptre III. [6] En diciembre comenzaron a realizarse experimentos similares a los de ZETA. Midiendo las líneas espectrales del oxígeno, calcularon temperaturas interiores de entre 2 y 3,5 millones de grados. Las fotografías tomadas a través de una rendija en el lateral mostraron que la columna de plasma se mantuvo estable durante 300 a 400 microsegundos, una mejora espectacular respecto de los esfuerzos anteriores. Trabajando a la inversa, el equipo calculó que el plasma tenía una resistividad eléctrica alrededor de 100 veces la del cobre y era capaz de transportar 200 kA de corriente durante 500 microsegundos en total. Cuando la corriente superaba los 70 kA, se observaron neutrones en aproximadamente la misma cantidad que en ZETA. [10]
Al igual que en el caso de ZETA, pronto se supo que los neutrones eran producidos por una fuente espuria y que las temperaturas se debían a la turbulencia en el plasma, no a la temperatura promedio. [11]
Cuando se produjo la debacle de ZETA en 1958, se esperaba que las soluciones a los problemas observados en ZETA y Sceptre IIIA fueran simples: un tubo mejor, un mayor vacío y un plasma más denso. Como la máquina Sceptre era mucho menos costosa y ya existía el banco de condensadores de alta potencia, se tomó la decisión de probar estos conceptos con un nuevo dispositivo, Sceptre IV. [12]
Sin embargo, ninguna de estas técnicas funcionó. Sceptre IV demostró tener los mismos problemas de rendimiento que las máquinas anteriores. [12] Sceptre IV resultó ser el último gran dispositivo de pinza "clásico" construido en el Reino Unido.
51°22′09.3″N 1°08′25.9″O / 51.369250, -1.140528