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El Astron es un tipo de dispositivo de energía de fusión cuyo pionero fue Nicholas Christofilos y construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore durante los años 1960 y 1970. El Astron utilizó un sistema de confinamiento único que evitó varios de los problemas encontrados en los diseños contemporáneos como el estelarizador y el espejo magnético . El desarrollo se ralentizó en gran medida por una serie de cambios en el diseño que se realizaron con una supervisión limitada, lo que llevó a la creación de un comité de revisión para supervisar el desarrollo posterior. El Astron no pudo cumplir con los objetivos de rendimiento establecidos para él por el comité; la financiación se canceló en 1972 y el desarrollo se interrumpió en 1973. El trabajo en diseños similares parece haber demostrado un problema teórico en el propio diseño que sugiere que nunca podría usarse para la generación práctica.
Christofilos es más conocido por inventar de forma independiente el concepto de enfoque fuerte , una característica utilizada en los aceleradores de partículas . Había comenzado a trabajar en esta línea a fines de la década de 1940 mientras dirigía una empresa de instalación de ascensores, [1] y en 1948 escribió una carta al entonces Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley en la que describía varias ideas sobre el enfoque en aceleradores. Cuando le devolvieron la carta señalando varios problemas, los resolvió y los volvió a escribir. Esta segunda carta fue ignorada. En 1950, Christofilos presentó una solicitud de patente, que se le concedió en 1956 como patente estadounidense 2.736.799. [2]
Casi al mismo tiempo, Ernest Courant , Milton Stanley Livingston y Hartland Snyder del Laboratorio Nacional de 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 artículo, Christofilos organizó un viaje a los EE. UU., llegando dos meses después. Al dirigirse a Brookhaven, los acusó enojado de robar la idea de su patente. También se reunió con miembros de la Comisión de Energía Atómica y, después de reunirse con sus abogados, le pagaron $ 10,000 por la patente. [4]
Con la compra de la patente llegó cierta 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 quedarían 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 capa E produciría por sí misma un potente campo magnético a medida que se acumulaba y, una vez que la corriente alcanzara una densidad crítica, los campos se "invertirían" 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 dentro de ella y se calentaría mediante interacciones con la capa E para llevarlo 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 podía seguir estas líneas hasta salir del reactor. Por lo tanto, los espejos dejaban escapar 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 funcionó a los niveles que esperaban alcanzar. [7]
En ese momento, Sherwood todavía era un secreto, lo que presentó problemas cuando esbozó por primera vez el concepto. Antes de subir al escenario, las fórmulas de la sesión anterior en la pizarra habían sido borradas cuidadosamente. Mientras llenaba la pizarra con sus propias ecuaciones, alguien le mostró amablemente los botones que la levantarían y revelarían una nueva debajo. Esta no había sido borrada y condujo a un esfuerzo apresurado para evitar que se filtrara cualquier material confidencial. Buscando evitar que se repitiera el evento, Christofilos consiguió 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 y se trasladó inmediatamente a lo que ahora era el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) para comenzar a trabajar en el concepto de Astron. Después de dos años, se habían logrado avances suficientes como para que pudiera presentar la idea en la conferencia Átomos para la Paz de 1958 en Ginebra, junto con un modelo del sistema que se proponían construir. Este 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 locuacidad griega y su amor por la discusión apasionada lo mantienen como un extraño". [10] Esto provocó fricciones dentro del establishment de la física y los primeros llamados a la terminación del programa Astron. Una revisión de 1963 de todo el esfuerzo del Proyecto Sherwood condujo a pedidos formales de cancelación. Sin embargo, el programa tenía partidarios dentro de la administración 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 considerable discusión, se decidió que se permitiría que el programa continuara, pero tendría que demostrar la inversión del 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 marco del Proyecto Seesaw. [12] Sin embargo, durante la construcción, el equipo se dio cuenta de que los electrones tenían libertad para viajar de regreso al área del acelerador. Christofilos resolvió este problema introduciendo cables de resistencia que desaceleraban ligeramente los electrones después de ingresar al tanque, de modo que ya no poseían la energía necesaria para fluir de regreso hacia afuera. [13]
Después de un trabajo de eliminación de errores, los primeros resultados se publicaron en junio de 1964. El acelerador funcionó, operando a 4 MeV y 120 amperios, y se confirmó una capa E estable, aunque generando solo 2 A/cm de corriente, apenas el 0,05% del campo diamagnético necesario para invertir el campo. [14] El trabajo continuó para cumplir con el objetivo de 1965 de inversión, pero finalmente fracasó. Sin embargo, la capa de electrones era estable, por lo que el comité Herb-Allison recomendó que continuara hasta el siguiente hito. [15]
En 1967, este valor se había mejorado al 6%, pero todavía faltaba mucho para alcanzar la capa E estable que el dispositivo necesitaba alcanzar. En 1968, Christofilos y T. Kenneth Fowler escribieron un informe en el que solicitaban un acelerador más potente y mejoras para el tanque. [16]
Finalmente se concedieron fondos para las mejoras, pero sólo a costa de la supervisión directa de un grupo ad hoc creado por la AEC. A estas alturas, los diseños "convencionales", el estelarizador y el espejo magnético, llevaban mucho tiempo funcionando en plasmas del mundo real y estaban aumentando lentamente las presiones y las temperaturas. Astron, por otra parte, 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 dedicado demasiado esfuerzo a cuestiones operativas como el rendimiento del acelerador, y poco o ningún esfuerzo a los estudios teóricos sobre si el plasma sería estable o no, incluso si se pudiera formar una capa E. [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 este tema y sugirió que un diseño operativo utilizaría protones en lugar de electrones y no sufriría el mismo nivel de pérdidas de energía. Sin embargo, en ese momento no existía un acelerador de ese tipo y el panel era muy escéptico respecto de su facilidad de construcción. [20]
Las mejoras de Astron se llevaron a cabo y comenzaron a funcionar en 1969. Durante este período, siguiendo el consejo del Panel, las divisiones teóricas del LLNL comenzaron a considerar el concepto con mucha más seriedad. 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 el apilamiento simplemente no funcionaría. [21]
Sin embargo, una sugerencia de Fowler resultó ser la que salvó al Astron de este problema. Había notado que agregar un segundo campo magnético que corriera por 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 enormemente mejorado tanto en la reducción de la corriente como en el éxito en atrapar los electrones. Esto también permitió apilar dos pulsos, lo que elevó el campo a un 15% de fuerza diamagnética. [21]
Mientras Astron trabajaba en la obtención de pulsos múltiples, un equipo de la Universidad de Cornell había estado trabajando en un diseño similar. Sin embargo, este Experimento de Bobina de Electrones Relativistas (RECE) utilizaba un único pulso largo de electrones en lugar del concepto de apilamiento. A finales de 1971 anunciaron que habían logrado una inversión completa del campo. Christofilos no estaba impresionado; este diseño no sería útil para un generador de fusión en estado estacionario, solo añadiendo pulsos continuamente la máquina podría 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 originalmente habían sugerido en 1968, un segundo grupo de expertos ad hoc publicó un informe mordaz. Entre los problemas, señalaron que el equipo Astron había estado buscando "formas ingeniosas de evitar o sortear las dificultades en lugar de comprenderlas". [23] Roy Gould , director del programa de fusión controlada de la AEC, fue específico al permitir que el proyecto Astron continuara, pero solo si cumplía una serie de objetivos en un plazo específico. [24]
Cuando Robert Hirsch se hizo cargo de la división de fusión controlada de la AEC en 1972, instituyó una revisión exhaustiva para clasificar los enfoques en estudio y eliminar la duplicación y los proyectos de bajo rendimiento. Dados los emocionantes resultados 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 rendimiento a corto plazo, y Hirsch estaba ansioso por cancelarlos.
El 24 de septiembre de 1972, Christofilos se reunió con James Schlesinger , de la AEC, pero no hay constancia de la reunión. Después de un largo día, se fue a un Holiday Inn local para ahorrarse un largo viaje a casa. Esa noche sufrió un ataque cardíaco fulminante y murió. [24]
Richard Briggs se hizo cargo de la dirección del proyecto hasta su cierre previsto 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 cadenas de pulsos. Su informe final afirmó que "la acumulación de la capa E mediante inyección de pulsos múltiples fue generalmente infructuosa" y señaló que en el momento del cierre aún 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 hacer el cambio de electrones a protones. Sin embargo, como algunos sospechaban, la "capa P" resultó difícil de construir y la inversión de campo con protones nunca se logró. 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 de Astron nunca funcionará. [27]
El anillo electrónico relativista también desempeñó un papel en el diseño del toro irregular . Se trató de otro intento de "tapar los extremos" de los espejos, uniendo varios espejos de extremo a extremo para formar un toro. Los electrones se impulsaban a altas energías no mediante inyección directa, sino mediante calentamiento de electrones-ciclotrón (ECH) externo impulsado por microondas. [28]
El dispositivo Astron constaba de dos secciones, el acelerador lineal y el "tanque" de espejo magnético. Estos estaban construidos en ángulos rectos, 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 bobinados 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 inyectaban en un ángulo para que no pudieran fluir simplemente hacia afuera de los extremos donde el campo era aproximadamente lineal. Sin embargo, había una región anular en cada extremo donde los iones de la energía adecuada podían escapar, y varios cálculos demostraron que la tasa sería bastante alta.
Al inyectar electrones en el espejo antes del 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 del campo; con la capa E en el Astron y mediante corrientes en el plasma en el caso de la FRC. Al igual que el espejo clásico, el 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]