El Maybeatron fue uno de los primeros dispositivos de energía de fusión basado en el concepto de pellizco en la década de 1950. Concebido por James (Jim) Tuck mientras trabajaba en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL), le dio un nombre caprichoso al dispositivo por la posibilidad de que pudiera crear reacciones de fusión. [1]
El primer ejemplo se construyó en el invierno de 1952/53 y rápidamente demostró una serie de inestabilidades en el plasma que plagaron el concepto de pellizco. Siguieron una serie de modificaciones que intentaron corregir estos problemas, dando lugar al modelo definitivo "S-4". Ninguno de ellos resultó fructífero.
Los científicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos tenían una larga trayectoria en el estudio de la fusión nuclear, y en 1946 habían calculado que un plasma en estado estacionario tendría que calentarse a 100 millones de grados Celsius (180 millones de grados Fahrenheit) para "encenderse" y liberar energía neta. energía. [2] Esto fue de vital interés en el establecimiento de la bomba nuclear , donde se utilizó un pequeño "gatillo" de bomba atómica para proporcionar las temperaturas requeridas.
Captar esa energía a una escala industrial más pequeña no sería fácil, ya que el plasma a esa temperatura derretiría cualquier recipiente físico. Como el plasma es conductor de electricidad, era obvio que podía contenerse magnéticamente, pero la disposición adecuada de los campos no era obvia. Enrico Fermi señaló que un simple toroide haría que el combustible se saliera de la "botella". [3] Se estudiaron varias disposiciones, en particular el stellarator desarrollado alrededor de 1950.
Un enfoque alternativo fue el concepto de "pinch", desarrollado en el Reino Unido . [3] A diferencia de los enfoques de botella magnética , en un dispositivo de pellizco, el campo magnético requerido fue creado por el propio plasma. Dado que el plasma es conductor de electricidad, si se hiciera pasar una corriente a través del plasma, se crearía un campo magnético inducido. Este campo, a través de la fuerza de Lorentz , actuará para comprimir el conductor. En el caso de un plasma, la fuerza lo colapsaría en un filamento delgado, "pellizcándolo". Como la corriente tenía que ser muy grande, los dispositivos de pellizco no intentaban confinar los plasmas durante períodos prolongados. Intentarían alcanzar rápidamente las condiciones de fusión y luego extraer energía de los productos calientes resultantes.
La técnica del pellizco fue patentada en 1946 por George Paget Thomson y Moses Blackman , quienes exploraron las máquinas de pellizco tanto lineales como toroidales. Jim Tuck conoció estos conceptos por primera vez en enero de 1947, en una reunión organizada en el Establecimiento de Investigación de Energía Atómica, Harwell . [4] [5] Tuck estudió el trabajo de Thomson-Blackman y concluyó que no alcanzarían la condición de fusión, pero que, sin embargo, serían interesantes como sistema experimental. Trabajando en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford , consiguió financiación para un dispositivo experimental y comenzó a ensamblarlo. Antes de terminarlo, una oferta de trabajo en la Universidad de Chicago (Illinois) lo atrajo a Estados Unidos. [5]
Otros equipos del Reino Unido continuaron sus esfuerzos. Thomson transmitió sus conceptos a Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [6] ), quienes ensamblaron un dispositivo de pellizco lineal utilizando equipos de radar antiguos e iniciaron sus operaciones en 1947. Los experimentos posteriores utilizaron grandes bancos. de condensadores para almacenar energía que se vertía rápidamente en el plasma a través de un solenoide enrollado alrededor de un tubo corto. Estos experimentos demostraron una serie de inestabilidades dinámicas que causaron que el plasma se rompiera y golpeara las paredes del tubo mucho antes de que se comprimiera o calentara lo suficiente como para alcanzar las condiciones de fusión requeridas. [3]
Después de un breve tiempo en Chicago, Los Álamos contrató a Tuck para trabajar en el proyecto "Super" (la bomba de hidrógeno ), [5] donde se le asignó la tarea de calcular la sección transversal nuclear de la reacción de fusión deuterio - tritio . . Este trabajo siguió despertando su interés por la energía de fusión, y dedicó algún tiempo hasta 1951 a considerar el problema. [7]
En Los Álamos, Tuck informó a los investigadores estadounidenses sobre los esfuerzos británicos. En ese momento, Lyman Spitzer había presentado su concepto de stellarator y estaba hablando de la idea entre el establishment energético, buscando financiación. En 1951 se acercó a la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos (AEC) para financiar su diseño. Tuck se mostró escéptico ante el entusiasmo de Spitzer y consideró que su agresivo programa de desarrollo era "increíblemente ambicioso". [8] Tuck propuso un programa mucho menos agresivo basado en pellizcos. Ambos hombres presentaron sus ideas en Washington, DC en mayo de 1951. En julio, Spitzer recibió 50.000 dólares y Tuck fue despedido sin financiación. [8] Para no quedarse atrás, Tuck convenció a Norris Bradbury , el director de Los Álamos, para que le diera 50.000 dólares del presupuesto discrecional. [3]
Aún sin estar convencido de que el concepto funcionaría en el primer intento, llamó a este enfoque, con la aportación de Stanislaw Ulam , Quizásatron. [7] [9] Tuck reunió un pequeño equipo y, utilizando piezas obtenidas y el dinero del presupuesto, construyó el primer Quizásatron en 1952/53. [3] El Maybeatron utilizó un tubo toroidal fabricado en la vidriería local. En el centro del toroide había un gran núcleo de hierro de un transformador , que se utilizaba para inducir corriente en el gas.
El Maybeatron rápidamente mostró los mismos problemas que los experimentos británicos. No importa cuán lentamente se agregara la corriente, una vez que alcanzaba un punto crítico surgían las inestabilidades. En 1954, Martin David Kruskal y Martin Schwarzschild publicaron un artículo crítico sobre el tema, que sugería que todos los dispositivos de pellizco en Z eran inherentemente inestables. [10] Tuck propuso la adición de un segundo campo magnético constante que se extendiera longitudinalmente a lo largo del tubo, un concepto que llamó "agregar una columna vertebral al plasma". Se hicieron varias modificaciones al Quizásatron para probar variaciones de estos conceptos, pero ninguna resultó fructífera. [11]
Al fracaso de Maybeatron le siguió el de otros dispositivos de pellizco. Otro equipo en Los Álamos había estado trabajando en otra máquina de pellizco rápido conocida como Columbus que utilizaba campos eléctricos en lugar de magnéticos, produciendo los mismos resultados. Mientras tanto, la máquina ZETA, mucho más grande en el Reino Unido, también fracasó, después de publicar los resultados con gran fanfarria diciendo que habían logrado la fusión. En 1961, el trabajo en dispositivos de pellizco Z había terminado en gran medida, aunque continuaron algunas investigaciones sobre el concepto relacionado de pellizco theta . [11]
Tuck nunca se limitó al concepto de pellizco y dedicó un esfuerzo considerable a otros conceptos, lo que llevó a bromear dentro de Los Alamos sobre su trabajo aparentemente desenfocado. [12] A lo largo de los años, dirigió el desarrollo de varios otros conceptos, incluido el reactor de valla, nuevos conceptos de pellizco y trabajo en dispositivos convencionales.