El perhapsatron fue uno de los primeros dispositivos de energía de fusión basados en el concepto de pinzamiento de la década de 1950. Concebido por James (Jim) Tuck mientras trabajaba en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL), bautizó el dispositivo con el nombre de manera caprichosa por la posibilidad de que pudiera crear reacciones de fusión. [1]
El primer ejemplar se construyó en el invierno de 1952/53 y pronto demostró una serie de inestabilidades en el plasma que afectaban al concepto de pinza. A continuación se realizaron una serie de modificaciones que intentaron corregir estos problemas, dando lugar al modelo definitivo "S-4". Ninguna de ellas dio resultado.
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 ser calentado a 100 millones de grados Celsius (180 millones de grados Fahrenheit) para "encenderse" y liberar energía neta. [2] Esto era de vital interés en el establecimiento de la bomba nuclear , donde se utilizó un pequeño "detonador" 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 ser contenido magnéticamente, pero la disposición adecuada de los campos no era obvia. Enrico Fermi señaló que un simple toroide haría que el combustible se alejara de la "botella". [3] Se estudiaron varias disposiciones, en particular el estelarizador desarrollado alrededor de 1950.
Un enfoque alternativo fue el concepto de "pinzamiento", desarrollado en el Reino Unido . [3] A diferencia de los enfoques de la botella magnética , en un dispositivo de pinza, el campo magnético requerido era creado por el propio plasma. Dado que el plasma es conductor de electricidad, si uno hiciera pasar una corriente a través del plasma, crearía un campo magnético inducido. Este campo, a través de la fuerza de Lorentz , actuaría para comprimir el conductor. En el caso de un plasma, la fuerza lo colapsaría en un filamento delgado, "pinzándolo". Dado que la corriente tenía que ser muy grande, los dispositivos de pinza no intentaban confinar los plasmas durante períodos prolongados. Intentaban alcanzar las condiciones de fusión rápidamente y luego extraer energía de los productos calientes resultantes.
La técnica de pinza fue patentada en 1946 por George Paget Thomson y Moses Blackman , quienes exploraron máquinas de pinza tanto lineales como toroidales. Jim Tuck conoció estos conceptos por primera vez en enero de 1947, en una reunión organizada en el Atomic Energy Research Establishment, 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 que estuviera completo, fue atraído a los EE. UU. por una oferta de trabajo en la Universidad de Chicago (Illinois). [5]
Otros equipos del Reino Unido continuaron con sus esfuerzos. Thomson transmitió sus conceptos a Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [6] ), quienes ensamblaron un dispositivo de pinza lineal utilizando un equipo de radar antiguo y comenzaron a operar 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 causaban que el plasma se rompiera y golpeara las paredes del tubo mucho antes de que se comprimiera o calentara lo suficiente para alcanzar las condiciones de fusión requeridas. [3]
Tras una breve estancia en Chicago, Tuck fue contratado por Los Alamos para trabajar en el proyecto "Super" (la bomba de hidrógeno ), [5] donde se le encomendó la tarea de calcular la sección eficaz nuclear de la reacción de fusión deuterio - tritio . Este trabajo siguió despertando su interés por la energía de fusión y, hasta 1951, pasó algún tiempo estudiando 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 estellarator y estaba hablando de la idea en el establishment energético, buscando financiación. En 1951 se acercó a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para financiar su diseño. Tuck se mostró escéptico ante el entusiasmo de Spitzer y sintió que su agresivo programa de desarrollo era "increíblemente ambicioso". [8] Tuck propuso un programa mucho menos agresivo basado en el pellizco. Ambos hombres presentaron sus ideas en Washington, DC, en mayo de 1951. En julio, Spitzer recibió $50.000 y Tuck fue enviado sin financiación. [8] Para no ser menos, Tuck convenció a Norris Bradbury , el director de Los Álamos, para que le diera $50.000 del presupuesto discrecional. [3]
Aún no convencido de que el concepto funcionaría en el primer intento, llamó a este enfoque, con el aporte de Stanislaw Ulam , el Maybeatron. [7] [9] Tuck reunió a un pequeño equipo y, utilizando piezas que encontró y el dinero del presupuesto, construyó el primer Maybeatron en 1952/53. [3] El Maybeatron usaba un tubo toroidal hecho en la cristalería local. En el medio del toroide había un gran núcleo de hierro de un transformador , que se usaba para inducir corriente en el gas.
El perhapsatron pronto presentó los mismos problemas que los experimentos británicos. No importaba cuán lentamente se añadiera 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 Z-pinch eran inherentemente inestables. [10] Tuck propuso la adición de un segundo campo magnético estable que corra longitudinalmente a lo largo del tubo, un concepto que él llamó "añadir una columna vertebral al plasma". Se realizaron varias modificaciones al perhapsatron para probar variaciones de estos conceptos, pero ninguna resultó fructífera. [11]
El fracaso de Maybeatron fue seguido por el fracaso de otros dispositivos de pinzamiento. Otro equipo en Los Álamos había estado trabajando en otra máquina de pinzamiento 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 resultados con gran fanfarria diciendo que habían logrado la fusión con éxito. En 1961, el trabajo en dispositivos de pinzamiento Z había terminado en gran medida, aunque algunas investigaciones continuaron sobre el concepto relacionado de pinzamiento theta . [11]
Tuck nunca se limitó al concepto de pinch, y dedicó un esfuerzo considerable a otros conceptos, lo que dio lugar a bromas en Los Álamos sobre su trabajo aparentemente desenfocado. [12] A lo largo de los años, dirigió el desarrollo de varios otros conceptos, incluido el reactor de valla de estacas, nuevos conceptos de pinch y el trabajo en dispositivos convencionales.