El solenoide toroidal fue un diseño de principios de 1946 para un dispositivo de energía de fusión diseñado por George Paget Thomson y Moses Blackman del Imperial College de Londres . Propuso confinar un plasma combustible de deuterio en una cámara toroidal (en forma de rosquilla) utilizando imanes y luego calentarlo hasta temperaturas de fusión utilizando energía de radiofrecuencia a la manera de un horno de microondas . Se destaca por ser el primer diseño de este tipo en ser patentado , [1] presentando una patente secreta el 8 de mayo de 1946 y recibiéndola en 1948. [a]
Una crítica de Rudolf Peierls señaló varios problemas con el concepto. Durante los años siguientes, Thomson continuó sugiriendo iniciar un esfuerzo experimental para estudiar estos temas, pero fue negado repetidamente porque la teoría subyacente de la difusión del plasma no estaba bien desarrollada. Cuando Peter Thonemann sugirió conceptos similares que incluían una disposición de calefacción más práctica, John Cockcroft comenzó a tomar el concepto más en serio y estableció pequeños grupos de estudio en Harwell . Thomson adoptó el concepto de Thonemann, abandonando el sistema de radiofrecuencia.
Cuando a principios de 1948 todavía no se había concedido la patente, el Ministerio de Abastecimiento preguntó sobre las intenciones de Thomson. Thomson explicó los problemas que tuvo para iniciar un programa y que no quería ceder los derechos hasta que eso se aclarara. Como directores del programa nuclear del Reino Unido, el Ministerio rápidamente obligó a Harwell a proporcionar fondos para el programa de Thomson. Luego, Thomson liberó sus derechos sobre la patente, que le fue concedida a finales de ese año. Cockcroft también financió el trabajo de Thonemann y con ello comenzó en serio el programa de fusión del Reino Unido. Después del furor mediático sobre el Proyecto Huemul en febrero de 1951, se liberaron fondos significativos que llevaron al rápido crecimiento del programa a principios de la década de 1950 y, finalmente, al reactor ZETA de 1958.
La comprensión básica de la fusión nuclear se desarrolló durante la década de 1920, cuando los físicos exploraban la nueva ciencia de la mecánica cuántica . El trabajo de George Gamow de 1928 sobre túneles cuánticos demostró que las reacciones nucleares podían tener lugar a energías más bajas de lo que predecía la teoría clásica. Utilizando esta teoría, en 1929 Fritz Houtermans y Robert Atkinson demostraron que las velocidades de reacción esperadas en el núcleo del Sol respaldaban la sugerencia de Arthur Eddington de 1920 de que el Sol funciona mediante fusión . [3] [4]
En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio a una lámina metálica que contenía deuterio, litio u otros elementos. [5] Esto les permitió medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión y determinó que la reacción deuterio-deuterio se produjo con una energía más baja que otras reacciones, alcanzando un máximo de aproximadamente 100.000 electronvoltios (100 keV). [6]
Esta energía corresponde a la energía media de las partículas de un gas calentado a mil millones de Kelvin . Los materiales calentados más allá de unas pocas decenas de miles de Kelvin se disocian en sus electrones y núcleos , produciendo un estado de materia similar al gas conocido como plasma . En cualquier gas las partículas tienen un amplio rango de energías, siguiendo normalmente la estadística de Maxwell-Boltzmann . En tal mezcla, una pequeña cantidad de partículas tendrá mucha mayor energía que la masa. [7]
Esto conduce a una posibilidad interesante; Incluso a temperaturas muy por debajo de 100.000 eV, algunas partículas tendrán aleatoriamente suficiente energía para sufrir una fusión. Esas reacciones liberan enormes cantidades de energía. Si esa energía puede capturarse nuevamente en el plasma, también puede calentar otras partículas a esa energía, haciendo que la reacción sea autosostenida. En 1944, Enrico Fermi calculó que esto ocurriría a unos 50.000.000 K. [8] [9]
Aprovechar esta posibilidad requiere que el plasma de combustible se mantenga unido el tiempo suficiente para que estas reacciones aleatorias tengan tiempo de ocurrir. Como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y por tanto tiende a expandirse según la ley de los gases ideales . [7] Para un reactor de fusión, el problema es mantener el plasma contenido contra esta presión; cualquier contenedor físico conocido se derretiría a temperaturas de miles de Kelvin, muy por debajo de los millones necesarios para la fusión. [10]
Un plasma es eléctricamente conductor y está sujeto a campos eléctricos y magnéticos. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético. [10] [11] [12] Un sistema de confinamiento simple es un tubo lleno de plasma colocado dentro del núcleo abierto de un solenoide . El plasma naturalmente quiere expandirse hacia las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea un campo magnético que recorre el centro del tubo, alrededor del cual orbitarán las partículas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Desafortunadamente, esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo y el plasma puede fluir libremente hacia los extremos. [13]
La solución obvia a este problema es doblar el tubo y el solenoide para formar un toro (un anillo o una rosquilla). [14] El movimiento hacia los lados permanece restringido como antes, y aunque las partículas permanecen libres para moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje longitudinal del tubo. [15] Pero, como señaló Fermi, [b] cuando el solenoide se dobla formando un anillo, los devanados eléctricos del solenoide estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto daría lugar a un campo desigual a lo largo del tubo y el combustible se alejaría lentamente del centro. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando un confinamiento a largo plazo. [15] [17] [18]
Thomson comenzó a desarrollar su concepto en febrero de 1946. Observó que esta disposición provocaba que los iones de combustible cargados positivamente se desplazaran hacia afuera más rápidamente que los electrones cargados negativamente . Esto daría como resultado un área negativa en el centro de la cámara que se desarrollaría en un corto período. Esta carga negativa neta produciría entonces una fuerza de atracción sobre los iones, evitando que se alejaran demasiado del centro y, por tanto, evitando que se desviaran hacia las paredes. Parecía que esto podría proporcionar un confinamiento a largo plazo. [19]
Esto deja la cuestión de cómo calentar el combustible a las temperaturas requeridas. Thomson propuso inyectar un plasma frío en el toro y luego calentarlo con señales de radiofrecuencia transmitidas a la cámara. Los electrones del plasma serían "bombeados" por esta energía, transfiriéndola a los iones mediante colisiones. Si la cámara contuviera un plasma con densidades del orden de 10 14 a 10 15 núcleos/cm 3 , se necesitarían varios minutos para alcanzar las temperaturas requeridas. [19]
A principios de marzo, Thomson envió una copia de su propuesta a Rudolf Peierls , entonces en la Universidad de Birmingham . Peierls inmediatamente señaló una preocupación; Tanto Peierls como Thomson habían asistido a reuniones en Los Álamos en 1944, donde Edward Teller mantuvo varias conversaciones informales, incluida aquella en la que Fermi esbozó las condiciones básicas necesarias para la fusión. Esto fue en el contexto de una bomba H , o "la súper", como se la conocía entonces. Peierls señaló que Estados Unidos podría reclamar prioridad sobre dicha información y considerarla altamente secreta, lo que significaba que si bien Thomson estaba al tanto de la información, era poco probable que otros en Imperial lo estuvieran. [20]
Considerando el problema, Thomson decidió intentar registrar una patente sobre el concepto. Esto garantizaría que se registraran los orígenes de los conceptos y demostraría que las ideas se debieron a esfuerzos en el Reino Unido y no a su trabajo previo sobre la bomba atómica . En ese momento, a Thomson no le preocupaba establecer una prioridad personal para el concepto ni generar ingresos a partir de él. Por sugerencia suya, el 26 de marzo de 1946 se reunieron con Arthur Block del Ministerio de Abastecimiento (MoS), lo que llevó a BL Russel, el agente de patentes del MoS, a comenzar a redactar una solicitud de patente que sería propiedad exclusiva del gobierno. [19]
Peierls continuó luego con una extensa crítica del concepto, señalando tres cuestiones importantes. [20]
La principal preocupación era que el sistema en su conjunto utilizaba un campo toroidal para confinar los electrones y el campo eléctrico resultante para confinar los iones. Peierls señaló que este "campo cruzado" haría que las partículas fueran forzadas a cruzar las líneas magnéticas debido a la regla de la mano derecha , lo que provocaría que los electrones orbitaran alrededor de la cámara en la dirección poloidal, eliminando el área de aumento de electrones en el centro. y permitiendo así que los iones se desplacen hacia las paredes. Utilizando las propias cifras de Thomson para las condiciones en un reactor en funcionamiento, Peierls demostró que la región neutralizada resultante se extendería hasta las paredes, en menos que el radio de los electrones en el campo. No habría confinamiento de los iones. [20]
También incluyó dos preocupaciones adicionales. Uno involucraba el tema de los iones de combustible de deuterio impactando con las paredes de la cámara y los efectos que tendrían, y el otro que hacer que los electrones abandonaran el plasma causaría que un ión fuera expulsado para mantener el equilibrio de carga, lo que rápidamente "limpiaría" "arrebatar" todo el gas de la cámara. [20] [c]
Thomson no estaba muy preocupado por los dos problemas menores, pero aceptó que el principal, el de los campos cruzados, era un problema grave. Considerando el tema, una semana después respondió con un concepto modificado. En esta versión, se eliminaron los imanes externos que producían el campo toroidal y, en su lugar, se proporcionó confinamiento haciendo pasar una corriente a través del plasma. Propuso inducir esta corriente utilizando señales de radio inyectadas a través de ranuras cortadas en el toro en espacios que crearían una onda que se mueve alrededor del toro similar al sistema utilizado en los aceleradores lineales utilizados para acelerar electrones. [20]
El 8 de mayo de 1946 se presentó una patente provisional, actualizada para utilizar el nuevo sistema de confinamiento. En la patente, Thomson señaló que el problema principal sería superar las pérdidas de energía mediante bremsstrahlung . Calculó que una densidad de plasma de 10 15 permanecería estable el tiempo suficiente para que la energía de los electrones bombeados calentara el combustible D a los 100 keV requeridos en el tiempo de varios minutos. Aunque no se menciona el término "efecto pellizco", excepto para el concepto de generación actual, la descripción era similar a las máquinas pellizcadoras que se generalizarían en los años cincuenta. [22]
Luego, Thomson fue enviado a la ciudad de Nueva York como parte de la delegación británica ante la Comisión de Energía Atómica de las Naciones Unidas y no regresó hasta finales de año. Después de su regreso, en enero de 1947, John Cockcroft convocó una reunión en Harwell para discutir sus ideas con un grupo que incluía a Peierls, Moon y Sayers de la Universidad de Birmingham , Tuck del Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford y Skinner , Frisch , Fuchs , French y Bretscher de Harwell. [22]
Thomson describió su concepto, incluidas varias formas posibles de impulsar la corriente. Peierls reiteró sus preocupaciones anteriores, mencionando las observaciones de Mark Oliphant y Harrie Massey, quienes habían trabajado con David Bohm en la separación isotópica en Berkeley . [22] Bohm había observado tasas de difusión muy aumentadas mucho más allá de lo que sugeriría la difusión clásica , hoy conocida como difusión de Bohm . Si esto era inherente a tales diseños, Peierls sugirió que no había manera de que el dispositivo funcionara. Luego añadió una declaración muy profética de que puede haber otras inestabilidades desconocidas que arruinarían el confinamiento. [23]
Peierls concluyó sugiriendo que Moon llevara a cabo estudios iniciales sobre el efecto pellizco en Birmingham, donde Moon tenía cierta experiencia en este tipo de dispositivos y especialmente porque Sayers ya estaba planeando experimentos con potentes descargas de chispas en deuterio. No consta que se haya realizado este trabajo, aunque se trabajaron estudios teóricos sobre el comportamiento del plasma en caso de apuro. [23]
El principal resultado de la reunión fue presentar a Thomson el wirbelrohr, un nuevo tipo de acelerador de partículas construido en 1944 en Alemania. El wirbelrohr utilizó una disposición similar a un ciclotrón para acelerar los electrones en un plasma, lo que su diseñador, Max Steenbeck , creía que haría que se "separaran" de los iones y aceleraran a velocidades muy altas. Los paralelos entre este dispositivo y el concepto de Thomson eran obvios, pero el mecanismo de aceleración de Steenbeck era novedoso y presentaba un sistema de calefacción potencialmente más eficiente. [23]
Cuando regresó a Londres después de la reunión, Thomson encargó a dos estudiantes de doctorado el proyecto: Alan Ware se encargó de construir un wirbelrohr y Stanley Cousins inició un estudio matemático sobre la difusión del plasma en un campo magnético. [23] Ware construye un dispositivo utilizando un tubo de 3 cm doblado formando un toroide de 25 cm de ancho. Utilizando una amplia variedad de presiones de gas y corrientes de hasta 13.000 amperios, Ware pudo mostrar alguna evidencia del pellizco del plasma, pero no pudo, como lo habían hecho los alemanes, encontrar ninguna evidencia de la ruptura de los electrones. Con este éxito limitado, Ware y Cousins construyeron un segundo dispositivo de 40 cm y hasta 27.000 amperios. Una vez más, no se vio evidencia de ruptura de electrones, pero esta vez una nueva cámara de espejo giratorio de alta velocidad pudo tomar imágenes directamente del plasma durante la descarga y pudo mostrar de manera concluyente que el plasma estaba siendo pellizcado. [24]
Mientras Cousins y Ware comenzaban su trabajo, en abril de 1947 Thomson presentó una solicitud de patente más completa. Esto describía un toro más grande de 4 metros (13 pies) de ancho con muchos puertos para inyectar y extraer gas y para inyectar energía de radiofrecuencia para impulsar la corriente. Luego, todo el sistema se colocó dentro de un gran imán que produjo un campo magnético vertical moderado de 0,15 T en todo el toro, que mantuvo los electrones confinados. Predijo que se necesitaría una entrada de energía de 1,9 MW y calculó que las reacciones DD y DT generarían 9 MW de energía de fusión, de los cuales 1,9 MW estaban en forma de neutrones . Sugirió que los neutrones podrían usarse como fuente de energía, pero también si el sistema estuviera rodeado de uranio natural, principalmente 238 U , los neutrones lo transmutarían en plutonio-239 , un componente importante de las bombas atómicas . [24]
Fue esta última parte la que generó nuevas preocupaciones. Si, como describió Thomson, se pudiera fabricar un dispositivo relativamente simple que pudiera producir plutonio, había una preocupación obvia en materia de seguridad nuclear y ese trabajo tendría que ser secreto. Ni Thomson ni Harwell estaban contentos realizando trabajos secretos en la universidad. Considerando el problema, Thomson sugirió trasladar este trabajo a la RAF Aldermaston . Associated Electrical Industries (AEI) estaba superando sus laboratorios existentes en Rugby y Trafford Park , y ya había sugerido construir un nuevo laboratorio seguro en Aldermaston. AEI buscaba irrumpir en el emergente campo de la energía nuclear, y su director de investigación, Thomas Allibone , era amigo de Thomson. Allibone apoyó firmemente la sugerencia de Thomson y recibió más respaldo del ganador del Nobel James Chadwick . Cockcroft, por otra parte, creía que era demasiado pronto para iniciar el gran programa que Thomson estaba sugiriendo y continuó postergándolo. [25]
Casi al mismo tiempo, Cockcroft se enteró de un trabajo similar realizado de forma independiente por Peter Thonemann en Clarendon, lo que desencadenó un pequeño programa teórico en Harwell para considerarlo. Pero todas las sugerencias de un programa de desarrollo más amplio siguieron siendo rechazadas. [25]
El concepto de Thonemann era reemplazar la inyección de radiofrecuencia utilizada por Thonemann y disponer el reactor como un betatrón , es decir, envolviendo el toro en un imán grande y usando su campo para inducir una corriente en el toro de una manera similar a un transformador eléctrico . Los betatrones tenían una limitación natural: la cantidad de electrones en ellos estaba limitada debido a su autorrepulsión, conocida como límite de carga espacial . Algunos habían sugerido introducir un gas en la cámara; Cuando los electrones acelerados los ionizaran, los iones sobrantes producirían una carga positiva que ayudaría a neutralizar la cámara en su conjunto. En cambio, los experimentos con este fin demostraron que las colisiones entre electrones e iones se dispersarían tan rápidamente que el número de electrones restantes era en realidad menor que antes. Sin embargo, este efecto era precisamente el deseado en un reactor de fusión, donde las colisiones calentarían los iones de deuterio. [25]
En un encuentro accidental en Clarendon, Thonemann acabó describiendo su idea a Thomson. Thonemann no sabía que estaba hablando con Thomson, ni del trabajo de Thomson sobre ideas similares. Thomson siguió con Skinner, quien apoyó firmemente el concepto de Thonemann sobre el de Thomson. Luego, Skinner escribió un artículo sobre el tema "Reacciones termonucleares por medios eléctricos" y lo presentó a la Comisión de Energía Atómica el 8 de abril de 1948. Señaló claramente dónde estaban las incógnitas en los conceptos, y especialmente la posibilidad de inestabilidades destructivas que arruinaría el confinamiento. Concluyó que sería "inútil hacer mucha más planificación" antes de realizar más estudios sobre las cuestiones de inestabilidad. [26]
Fue en este punto cuando surge un curioso toque de legalidad en los acontecimientos. En febrero de 1948, la solicitud de patente original de Thompson no había sido concedida porque el Ministerio de Abastecimiento no estaba seguro de sus intenciones al ceder los derechos. Blackman estaba enfermo de malaria en Sudáfrica y el tema se pospuso por un tiempo. La cuestión volvió a plantearse en mayo, cuando regresó, lo que dio lugar a una reunión a mediados de julio. Thompson se quejó de que Harwell no apoyaba sus esfuerzos y que, como nada de esto estaba clasificado, quería permanecer abierto a recurrir a financiación privada. En ese caso, dudaba en ceder los derechos al Ministerio. El Ministerio, que estaba a cargo de los laboratorios nucleares, incluido Harwell, rápidamente consiguió que Cockroft financiara el programa de desarrollo de Thompson. El programa fue aprobado en noviembre y la patente fue asignada al Ministerio a finales de año. [27]
El trabajo de fusión en Harwell e Imperial se mantuvo en un nivel relativamente bajo hasta 1951, cuando ocurrieron dos acontecimientos que cambiaron significativamente la naturaleza del programa.
La primera fue la confesión de Klaus Fuchs en enero de 1950 de que había estado pasando información atómica a los soviéticos. [28] Su confesión condujo a una clasificación inmediata y amplia de casi todo lo relacionado con la energía nuclear. Esto incluía todo el trabajo relacionado con la fusión, ya que los temores anteriores sobre la posibilidad de utilizar la fusión como fuente de neutrones para producir plutonio ahora parecían un problema serio. Los planes anteriores para trasladar el equipo de Imperial se pusieron en práctica de inmediato, y los laboratorios AEI se instalaron en el antiguo Aldermaston y se abrieron en abril. Este laboratorio pronto se convirtió en el Establecimiento de Investigación de Armas Atómicas . [29]
El segundo fue el anuncio de febrero de 1951 de que Argentina había producido con éxito la fusión en su Proyecto Huemul . Los físicos de todo el mundo rápidamente lo descartaron como imposible, lo cual se reveló en 1952. Sin embargo, también tuvo el efecto de hacer que los políticos conocieran el concepto de fusión y su potencial como fuente de energía. Los físicos que trabajaban en el concepto de repente se vieron capaces de hablar con políticos de alto rango, quienes se mostraron bastante receptivos a aumentar sus presupuestos. En cuestión de semanas, los programas en Estados Unidos, el Reino Unido y la URSS estaban experimentando una espectacular expansión. [30]
En el verano de 1952, el programa de fusión del Reino Unido estaba desarrollando varias máquinas basadas en el diseño general de Thonemann, y el concepto de RF original de Thomson quedó a un lado. [31]