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El Astron es un tipo de dispositivo de energía de fusión iniciado por Nicholas Christofilos y construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore durante las décadas de 1960 y 1970. Astron utilizó un sistema de confinamiento único que evitó varios de los problemas encontrados en diseños contemporáneos como el estelarador y el espejo magnético . El desarrollo se vio muy frenado por una serie de cambios en el diseño que se realizaron con supervisión limitada, lo que llevó a la creación de un comité de revisión para supervisar el desarrollo futuro. El Astron no pudo cumplir los objetivos de rendimiento que le había fijado el comité; la financiación se canceló en 1972 y el desarrollo se detuvo en 1973. El trabajo en diseños similares parece haber demostrado un problema teórico en el diseño mismo que sugiere que nunca podría usarse para la generación práctica.
Christofilos es mejor conocido por inventar de forma independiente el concepto de enfoque fuerte , una característica utilizada en los aceleradores de partículas . Comenzó a trabajar en este sentido a finales de la década de 1940, mientras dirigía una empresa de instalación de ascensores, [1] y en 1948 escribió una carta a lo que entonces era el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, esbozando varias ideas sobre el enfoque con aceleradores. Cuando le devolvieron la carta señalándole varios problemas, los resolvió y les volvió a escribir. Esta segunda carta fue ignorada. En 1950 Christofilos presentó una solicitud de patente, que fue concedida en 1956 como patente estadounidense 2.736.799. [2]
Casi al mismo tiempo, Ernest Courant , Milton Stanley Livingston y Hartland Snyder del Laboratorio Nacional Brookhaven estaban considerando el mismo problema e idearon la misma solución, escribiendo sobre ello en la edición del 1 de diciembre de 1952 de Physical Review . [3] Cuando vio el periódico, Christofilos organizó un viaje a Estados Unidos y llegó dos meses después. De camino a Brookhaven, los acusó airadamente de robar la idea de su patente. También se reunió con miembros de la Comisión de Energía Atómica y, tras reunirse con sus abogados, le pagaron 10.000 dólares por la patente. [4]
Con la compra de la patente llegó algo de fama y suficiente dinero para que Christofilos pudiera entrar en el mundo de la física estadounidense. En abril de 1953 asistió a una reunión del Proyecto Sherwood y presentó otra idea en la que había estado trabajando en Grecia, el Astron. [5]
La idea básica era inyectar electrones de alta energía en un espejo magnético (el "tanque"). Los electrones serían capturados en el espejo y formarían una capa de corriente cerca de la superficie exterior del volumen del tanque, a la que llamó "capa E". La propia capa E produciría un poderoso campo magnético a medida que se acumulaba, y una vez que la corriente alcanzara una densidad crítica, los campos se "revertirían" y se plegarían en una nueva configuración de líneas cerradas que formarían un área de confinamiento continua. Una vez que la capa E se hubiera formado con éxito, se inyectaría combustible de fusión en el área interior y se calentaría mediante interacciones con la capa E para llevarla a temperaturas de fusión. [6]
Esta disposición resolvió uno de los principales problemas del concepto básico de espejo magnético, que tenía líneas de campo abiertas en los extremos. El combustible podría seguir estas líneas hasta salir del reactor. Por tanto, los espejos filtraban plasma de forma natural , aunque los diseñadores creían que podían solucionar este problema haciendo funcionar las máquinas a temperaturas muy altas. En la práctica, la fuga resultó ser incluso mayor de lo que sugería la teoría básica y nunca operó a los niveles que esperaban alcanzar. [7]
En ese momento, Sherwood todavía era un secreto, lo que presentó problemas cuando describió el concepto por primera vez. Antes de subir al escenario, las fórmulas de la sesión anterior en la pizarra habían sido borradas cuidadosamente. Mientras llenaba el pizarrón con sus propias ecuaciones, alguien amablemente le mostró los botones que lo levantarían y revelarían uno nuevo debajo. Este no había sido borrado y dio lugar a un esfuerzo apresurado para evitar la fuga de material sensible. Para evitar que se repitiera el evento, a Christofilos le dieron un trabajo en Brookhaven, donde podría continuar trabajando en la teoría de Astron. [8]
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En 1956, Christofilos finalmente recibió su autorización de seguridad e inmediatamente se mudó a lo que ahora era el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) para comenzar a trabajar en el concepto Astron. Después de dos años, se habían logrado suficientes avances como para poder presentar la idea en la conferencia Átomos para la Paz de 1958 en Ginebra, junto con un modelo del sistema que proponían construir. Éste constaba de dos partes principales, la botella magnética donde se mantendría el plasma y un acelerador de partículas que proporcionaba los electrones relativistas. [9]
A pesar de su éxito, Christofilos siempre fue un extraño en el laboratorio. Time informó que "todavía no tiene un título en física, y su acento griego, su volubilidad griega y su amor por la discusión apasionada lo mantienen como un extraño". [10] Esto provocó fricciones dentro del establishment de la física y primeros llamados para la terminación del programa Astron. Una revisión realizada en 1963 de todo el esfuerzo del Proyecto Sherwood dio lugar a pedidos formales de cancelación. Sin embargo, el programa contó con patrocinadores dentro de la gestión del programa de fusión controlada, en particular Glenn Seaborg y John S. Foster , ambos con fuertes vínculos con LLNL. Foster, en particular, estaba preocupado por los grupos en Washington que dictaban el desarrollo a los laboratorios. Después de una discusión considerable, se decidió que se permitiría que el programa continuara, pero sería necesario demostrar la reversión de campo para 1965. [11]
En 1963, el equipo había diseñado y construido un nuevo tipo de acelerador de inducción lineal con las propiedades requeridas. El diseño del acelerador generó interés como arma de haz de partículas estudiada en el Proyecto Seesaw. [12] Sin embargo, durante la construcción, el equipo se dio cuenta de que los electrones podían viajar libremente de regreso al área del acelerador. Christofilos resolvió esto introduciendo cables de resistencia que ralentizaron ligeramente los electrones después de entrar al tanque, por lo que ya no poseían la energía necesaria para regresar. [13]
Después de un poco de trabajo solucionando errores, los primeros resultados se publicaron en junio de 1964. El acelerador funcionó, funcionando a 4 MeV y 120 amperios, y se confirmó una capa E estable, aunque generaba sólo 2 A/cm de corriente, sólo el 0,05%. del campo diamagnético necesario para invertir el campo. [14] El trabajo continuó para alcanzar el objetivo de reversión de 1965, pero finalmente fracasó. Sin embargo, la capa de electrones era estable, por lo que el comité Herb-Allison recomendó continuar hasta el siguiente hito. [15]
En 1967, esto se había mejorado al 6%, pero todavía estaba muy lejos de la capa E estable que el dispositivo necesitaba lograr. En 1968, Christofilos y T. Kenneth Fowler escribieron un informe solicitando un acelerador más potente y mejoras para el tanque. [dieciséis]
Finalmente se otorgaron fondos para las mejoras, pero sólo a costa de la supervisión directa de un Panel Ad Hoc creado por la AEC. En este punto, los diseños "convencionales", el estelarador y el espejo magnético, llevaban mucho tiempo funcionando en plasmas del mundo real y estaban aumentando lentamente las presiones y temperaturas. Astron, por otro lado, todavía estaba muy lejos de construir su primera capa E útil, un requisito previo para los experimentos con plasma. [17]
El Panel Ad Hoc emitió un informe negativo, quejándose de que se había puesto demasiado esfuerzo en cuestiones operativas como el rendimiento del acelerador, con poco o ningún esfuerzo en estudios teóricos sobre si el plasma sería alguna vez estable o no incluso si una capa E pudiera Ser formado. [18] Además, el panel señaló que nadie había estudiado seriamente si un Astron operativo y estable requeriría más energía para funcionar de la que liberaría. Esto era una preocupación seria en Astron, porque sus electrones relativistas irradiarían grandes cantidades de energía debido a la radiación de sincrotrón de electrones . [19]
Christofilos ya había considerado esto y sugirió que un diseño operativo usaría protones en lugar de electrones y no sufriría el mismo nivel de pérdidas de energía. Sin embargo, no existía tal acelerador en ese momento, y el panel se mostró muy escéptico en cuanto a que fuera sencillo de construir. [20]
Las actualizaciones de Astron continuaron y comenzaron a funcionar en 1969. Durante este período, siguiendo el consejo del Panel, las divisiones teóricas de LLNL comenzaron a analizar el concepto mucho más seriamente. Al construir modelos informáticos del sistema, primero abordaron el problema del "apilamiento", es decir, que los pulsos individuales de electrones del acelerador no se acumulaban en la capa E como se esperaba. Bruce Langdon demostró que apilar simplemente no funcionaba. [21]
Sin embargo, una sugerencia de Fowler salvó al Astron de este problema. Había notado que agregar un segundo campo magnético que recorría el centro del tanque reduciría la cantidad de campo externo necesario para crear la capa E. Christofilos siguió adelante con este cambio y comenzó a realizar pruebas en 1971; esto demostró un rendimiento muy mejorado tanto con la reducción de la corriente como con el éxito en la captura de electrones. Esto también permitió apilar dos pulsos, elevando el campo al 15% de fuerza diamagnética. [21]
Mientras Astron trabajaba en múltiples pulsos, un equipo de la Universidad de Cornell había estado trabajando en un diseño similar. Sin embargo, este experimento relativista de bobina de electrones (RECE) utilizó un único pulso largo de electrones en lugar del concepto de apilamiento. A finales de 1971 anunciaron que habían logrado una reversión completa del campo. Christofilos no quedó impresionado; Este diseño no sería útil para un generador de fusión en estado estacionario, sólo agregando pulsos continuamente podría la máquina mantenerse a sí misma. [22]
Ante los continuos problemas con Astron y la aparente facilidad con la que el equipo RECE había logrado alcanzar los objetivos que habían sugerido originalmente en 1968, un segundo Panel Ad Hoc publicó un informe mordaz. Entre los problemas señalaron que el equipo de Astron había estado buscando "formas ingeniosas de evitar o sortear las dificultades en lugar de comprenderlas". [23] Roy Gould , jefe del programa de fusión controlada de la AEC, fue específico al permitir que el proyecto Astron continuara, pero sólo si cumplía una serie de objetivos en un cronograma específico. [24]
Cuando Robert Hirsch se hizo cargo del brazo de fusión controlada de la AEC en 1972, instituyó una revisión radical para clasificar los enfoques en estudio y eliminar la duplicación y los proyectos de bajo rendimiento. Dados los interesantes resultados obtenidos con el tokamak lanzado en 1968, Hirsch favoreció un programa con relativamente pocos proyectos, cada uno de ellos con presupuestos mucho mayores. [25] Muchos programas como Astron simplemente no parecían tener ningún beneficio a corto plazo, y Hirsch estaba dispuesto a cancelarlos.
El 24 de septiembre de 1972, Christofilos se reunió con James Schlesinger de la AEC, pero no queda constancia de la reunión. Después de un largo día, fue a un Holiday Inn local para ahorrarse un largo viaje a casa. Esa noche sufrió un infarto masivo y murió. [24]
Richard Briggs asumió la dirección del proyecto hasta su fecha de cierre prevista en junio de 1973. Bajo su dirección, Astron volvió a estudiar el nuevo campo estabilizador introducido por Fowler y, utilizando pulsos individuales más grandes, el dispositivo alcanzó una fuerza diamagnética del 50%, mucho mayor que Los esfuerzos de Christofilos con las cadenas de pulsos. Su informe final afirmó que "la acumulación de la capa E mediante inyección de pulsos múltiples generalmente no tuvo éxito" y señaló que en el momento del cierre todavía no entendían qué problema físico estaba limitando la acumulación. [26]
Aunque Astron cerró, el trabajo con RECE en Cornell continuó durante algún tiempo. Como parte de su trabajo, el equipo intentó realizar el cambio de electrones a protones. Sin embargo, como algunos sospechaban, la "capa P" resultó difícil de construir y nunca se logró la inversión del campo con protones. La última versión de este esfuerzo, FIREX, cerró en 2003, después de haber demostrado lo que parece ser una razón puramente teórica por la que el concepto Astron nunca funcionará. [27]
El anillo de electrones relativista también jugó un papel en el diseño del toro lleno de baches . Este fue otro intento de "tapar los extremos" de los espejos, uniendo varios espejos de extremo a extremo para formar un toro. Los electrones fueron impulsados a altas energías no mediante inyección directa, sino mediante calentamiento externo de ciclotrón de electrones (ECH) impulsado por microondas. [28]
El dispositivo Astron constaba de dos secciones, el acelerador lineal y el "tanque" del espejo magnético. Estos fueron construidos en ángulo recto, con la salida del acelerador disparando hacia el costado del tanque en un extremo. [29]
El tanque era un ejemplo relativamente simple del concepto de espejo magnético , que consistía principalmente en un solenoide largo con devanados adicionales en ambos extremos para aumentar el campo magnético en esas regiones y formar el espejo. [30] En un espejo simple, los iones en el plasma de combustible se inyectaron en un ángulo para que no pudieran simplemente fluir hacia los extremos donde el campo era aproximadamente lineal. Sin embargo, había una región anular en cada extremo por donde podían escapar los iones de la energía adecuada, y varios cálculos demostraron que la velocidad sería bastante alta.
Al inyectar electrones en el espejo antes que el combustible, la capa E crearía un segundo campo magnético que haría que las áreas anulares se plegaran hacia el centro del tanque. El campo resultante tenía forma de tubo y era muy similar a la configuración de campo invertido , o FRC. [30] La principal diferencia entre estos dispositivos es la forma en que se logra la inversión de campo; con la capa E en el Astron, y por corrientes en el plasma para el FRC. Al igual que el espejo clásico, Astron inyectó los electrones en el espejo en un ligero ángulo para garantizar que circularan hacia el centro del espejo. [29]
Hoy en día, el Astron suele considerarse una subclase del concepto FRC. [31]