Sceptre fue una serie de primeros dispositivos de energía de fusión basados en el concepto de confinamiento de plasma de pellizco Z , 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 pellizco originales, construidas en Imperial. College London por Cousins and 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 metálicos con altos voltajes, en apoyo a los esfuerzos en Harwell . Cuando la máquina ZETA de Harwell aparentemente produjo fusión, AEI rápidamente construyó una máquina más pequeña, Sceptre, para probar sus resultados. Sceptre también produjo neutrones, lo que aparentemente confirma el experimento ZETA. Más tarde se descubrió que los neutrones eran espurios y el trabajo en el Reino Unido sobre el Z-pinch finalizó a principios de los años 1960.
La investigación sobre fusión en el Reino Unido comenzó con un presupuesto reducido 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 fue 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]
Se mostró poco interés por el trabajo, aunque sí lo notó Jim Tuck , quien estaba interesado en todo lo relacionado con la fusión. Conoció a su compañero Peter Thonemann , 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 Alamos , Tuck introdujo el concepto de pellizco allí y finalmente construyó el Maybeatron en la misma línea.
A principios de 1950, Klaus Fuchs admitió haber entregado secretos atómicos del Reino Unido y Estados Unidos a la URSS. Como los dispositivos de fusión generarían grandes cantidades de neutrones , que podrían usarse para enriquecer el combustible nuclear para bombas atómicas , el Reino Unido clasificó inmediatamente todos sus trabajos 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 lugares seguros. El equipo imperial dirigido por Ware se creó en los nuevos laboratorios de Associated Electrical Industries (AEI) en Aldermaston en noviembre [2], mientras que el equipo de Oxford dirigido por Thonemann se trasladó a UKAEA Harwell. [5]
En 1951 había numerosos dispositivos de pellizco en funcionamiento; Cousins y Ware habían construido varias máquinas siguientes, Tuck construyó su Maybeatron y otro equipo en Los Alamos construyó una máquina lineal conocida como Columbus. Más tarde se supo que Fuchs había pasado información sobre los primeros trabajos en el Reino Unido a los soviéticos, y que ellos también habían iniciado un programa de emergencia.
En 1952, todo el mundo tenía claro que algo andaba mal en las máquinas. A medida que se aplicaba corriente, el plasma primero se comprimiría como se esperaba, pero luego desarrollaría una serie de "dobladuras", evolucionando hacia una forma sinusoidal. Cuando las partes exteriores golpean las paredes del recipiente, una pequeña cantidad del material se desprendería hacia el plasma, enfriándolo y arruinando la reacción. Esta llamada "inestabilidad del kink" 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 pellizco 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) conectados por explosores que podían descargar la energía almacenada en el sistema a altas velocidades. Los dispositivos de Harwell utilizaban corrientes de pellizco ascendentes más lentas y tenían que ser más grandes para alcanzar las mismas condiciones. [7]
Una de las primeras sugerencias para resolver la inestabilidad por torsión fue utilizar tubos metálicos 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 induciría un campo magnético en el metal. Este campo, debido a la ley de Lenz , se opondría al movimiento del plasma hacia él, con suerte ralentizaría o detendría su aproximación a los lados del contenedor. Tuck se refirió a este concepto como "darle al plasma una columna vertebral".
Allibone, originario de Metropolitan-Vickers , había trabajado en tubos de rayos X con paredes metálicas 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 los tubos de vidrio podían soportar. Comenzaron con un tubo totalmente de porcelana de 20 cm de eje mayor y pudieron inducir 30 kA de corriente en el plasma antes de que se rompiera. A continuación construyeron una versión de aluminio, que se dividió en dos partes con inserciones de mica entre ellas. Esta versión sufrió arcos entre las dos mitades. [2]
Convencido 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 de los arcos. 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 fue una mejora, también sufrió las mismas inestabilidades por torsión, y se abandonó el trabajo en este enfoque. [8]
Para caracterizar mejor el problema, el equipo comenzó la construcción de un toroide de aluminio más grande con un diámetro de 12 pulgadas y 45 pulgadas de diámetro, e insertó dos secciones rectas para estirarlo hasta darle forma de pista de carreras. Las secciones rectas, conocidas como "pimentero", tenían una serie de agujeros perforados en ángulo para que todos apuntaran a un único punto focal a cierta distancia del aparato. [6] Una cámara colocada en el punto focal pudo tomar imágenes de toda la columna de plasma, mejorando enormemente su comprensión del proceso de inestabilidad. [8]
Al estudiar el tema, Shavranov, Taylor y Rosenbluth desarrollaron la idea de agregar un segundo campo magnético al sistema, un campo toroidal de estado estacionario 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 pequeñas imperfecciones en el campo generadas por el propio pellizco. Esto despertó un interés considerable tanto en Estados Unidos como en el Reino Unido. Thomson, armado con la posibilidad de un dispositivo viable y el evidente interés en Estados Unidos, 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 capacitores existente, alcanzarían las condiciones requeridas en un tubo de cuarzo cubierto de cobre de 2 pulgadas de diámetro y 10 pulgadas de diámetro, o un tubo totalmente Versión de cobre de 2 pulgadas de diámetro y 18 pulgadas de ancho. Los trabajos en ambos comenzaron en paralelo, como Cetro I y II. [8]
Sin embargo, antes de que cualquiera de los dos estuviera terminado, 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, otros experimentos demostraron temperaturas de alrededor de 1 millón de grados. [10] El sistema funcionó como se esperaba, produciendo imágenes claras de las inestabilidades retorcidas utilizando fotografía de alta velocidad y gas argón para producir una imagen brillante. [6]
Luego, el equipo eliminó las secciones rectas, agregó imanes de estabilización y rebautizó la máquina como Sceptre III. [6] En diciembre comenzaron ejecuciones experimentales como las de ZETA. Midiendo las líneas espectrales del oxígeno, calcularon temperaturas interiores de 2 a 3,5 millones de grados. Las fotografías tomadas a través de una rendija en el costado mostraron que la columna de plasma permaneció estable durante 300 a 400 microsegundos, una mejora espectacular con respecto a esfuerzos anteriores. Mirando hacia atrás, el equipo calculó que el plasma tenía una resistividad eléctrica alrededor de 100 veces mayor que la del cobre y era capaz de transportar 200 kA de corriente durante 500 microsegundos en total. Cuando la corriente superó los 70 kA, se observaron neutrones en aproximadamente la misma cantidad que ZETA. [10]
Como 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 mejor tubo, mayor vacío y plasma más denso. Como la máquina Sceptre era mucho menos costosa y el banco de condensadores de alta potencia ya existía, se tomó la decisión de probar estos conceptos con un nuevo dispositivo, Sceptre IV. [12]
Sin embargo, ninguna de estas técnicas ayudó. Sceptre IV demostró tener los mismos problemas de rendimiento que las máquinas anteriores. [12] Sceptre IV demostró ser el último gran dispositivo de pellizco "clásico" construido en el Reino Unido.
51°22′09.3″N 1°08′25.9″O / 51.369250°N 1.140528°W / 51.369250; -1.140528