ZETA , abreviatura de Zero Energy Thermonuclear Assembly (ensamblaje termonuclear de energía cero ), fue un experimento importante en la historia temprana de la investigación sobre energía de fusión . Basado en la técnica de confinamiento de plasma de pinzamiento y construido en el Atomic Energy Research Establishment (Establecimiento de Investigación de Energía Atómica) en el Reino Unido, ZETA era más grande y más potente que cualquier máquina de fusión del mundo en ese momento. Su objetivo era producir un gran número de reacciones de fusión, aunque no era lo suficientemente grande como para producir energía neta.
El ZETA entró en funcionamiento en agosto de 1957 y a finales de mes emitía ráfagas de aproximadamente un millón de neutrones por pulso. Las mediciones sugerían que el combustible estaba alcanzando entre 1 y 5 millones de kelvin , una temperatura que produciría reacciones de fusión nuclear , lo que explica las cantidades de neutrones que se estaban observando. Los primeros resultados se filtraron a la prensa en septiembre de 1957, y en enero siguiente se publicó una revisión exhaustiva. Los artículos de primera plana de los periódicos de todo el mundo lo anunciaron como un gran avance hacia la energía ilimitada, un avance científico para Gran Bretaña mayor que el recién lanzado Sputnik lo había sido para la Unión Soviética .
Los experimentos estadounidenses y soviéticos también habían producido explosiones de neutrones similares a temperaturas que no eran lo suficientemente altas para la fusión. Esto llevó a Lyman Spitzer a expresar su escepticismo sobre los resultados, pero sus comentarios fueron desestimados por los observadores del Reino Unido como patrioterismo . Experimentos posteriores con ZETA demostraron que las mediciones de temperatura originales eran engañosas; la temperatura en masa era demasiado baja para que las reacciones de fusión crearan la cantidad de neutrones que se observaba. La afirmación de que ZETA había producido fusión tuvo que ser retirada públicamente, un evento vergonzoso que dejó helado a todo el establishment de la fusión. Más tarde se explicó que los neutrones eran el producto de inestabilidades en el combustible. Estas inestabilidades parecían inherentes a cualquier diseño similar, y el trabajo sobre el concepto básico de pinza como camino hacia la energía de fusión terminó en 1961.
A pesar de que ZETA no logró la fusión, el dispositivo tuvo una larga vida experimental y produjo numerosos avances importantes en este campo. En una línea de desarrollo, se probó en ZETA el uso de láseres para medir la temperatura con mayor precisión, y más tarde se utilizó para confirmar los resultados del método soviético tokamak . En otra línea, al examinar las pruebas de ZETA se observó que el plasma se autoestabilizaba después de apagarlo. Esto ha dado lugar al concepto moderno de pinzamiento de campo invertido . En términos más generales, los estudios de las inestabilidades en ZETA han dado lugar a varios avances teóricos importantes que forman la base de la teoría del plasma moderna.
La comprensión básica de la fusión nuclear se desarrolló durante la década de 1920, cuando los físicos exploraron la nueva ciencia de la mecánica cuántica . La exploración de George Gamow en 1928 del efecto túnel cuántico demostró que las reacciones nucleares podían tener lugar a energías más bajas que las predichas por la teoría clásica. Utilizando esta teoría, en 1929 Fritz Houtermans y Robert Atkinson demostraron que las tasas de reacción esperadas en el núcleo del Sol respaldaban la sugerencia de Arthur Eddington de 1920 de que el Sol se alimenta de la fusión . [1] [2]
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 en una lámina de metal que contenía deuterio, litio u otros elementos. [3] Esto les permitió medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión y determinaron que la reacción deuterio-deuterio se producía a una energía menor que otras reacciones, alcanzando un pico de aproximadamente 100.000 electronvoltios (100 keV). [4]
Esta energía corresponde a la energía media de las partículas en un gas calentado a miles de millones de kelvins. Los materiales calentados a más de unas pocas decenas de miles de kelvins 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, que normalmente siguen la estadística de Maxwell-Boltzmann . En una mezcla de este tipo, una pequeña cantidad de partículas tendrá una energía mucho mayor que la del conjunto. [5]
Esto nos lleva a una posibilidad interesante: incluso a temperaturas muy por debajo de los 100.000 eV, algunas partículas tendrán aleatoriamente suficiente energía para fusionarse. Esas reacciones liberan enormes cantidades de energía. Si esa energía puede ser capturada nuevamente en el plasma, puede calentar también otras partículas a esa energía, haciendo que la reacción sea autosostenible. En 1944, Enrico Fermi calculó que esto ocurriría a unos 50.000.000 K. [6] [7]
Para aprovechar esta posibilidad es necesario mantener unido el plasma de combustible durante el tiempo suficiente para que estas reacciones aleatorias tengan tiempo de producirse. Como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y, por lo tanto, tiende a expandirse de acuerdo con la ley de los gases ideales . [5] En un reactor de fusión, el problema es mantener el plasma contenido frente a esta presión; cualquier contenedor físico conocido se derretiría a estas temperaturas. [8]
Un plasma es un conductor de electricidad y está sujeto a campos eléctricos y magnéticos. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan las líneas de campo magnético. [8] [9] [10] 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 afuera a las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea un campo magnético que corre por 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 es libre de fluir hacia los extremos. [11]
La solución obvia a este problema es doblar el tubo hasta formar un toro (una forma de anillo o rosquilla). [12] El movimiento hacia los lados sigue restringido como antes, y mientras que las partículas siguen siendo libres de moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje largo del tubo. Pero, como señaló Fermi, [a] cuando el solenoide se dobla en un anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto conduciría 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 confinamiento a largo plazo. [14] [15] [16]
En 1934, Willard Harrison Bennett detalló una posible solución al problema del confinamiento . [17] [18] Cualquier corriente eléctrica crea un campo magnético y, debido a la fuerza de Lorentz , esto provoca una fuerza dirigida hacia adentro. Esto se observó por primera vez en los pararrayos . [19] Bennett demostró que el mismo efecto causaría que una corriente "autoenfocara" un plasma en una columna delgada. Un segundo artículo de Lewi Tonks en 1937 consideró el tema nuevamente, introduciendo el nombre de " efecto pinch ". [20] [21] Fue seguido por un artículo de Tonks y William Allis . [22]
La aplicación de una corriente de pinza en un plasma puede utilizarse para contrarrestar la expansión y confinar el plasma. [15] [23] Una forma sencilla de hacerlo es colocar el plasma en un tubo lineal y pasar una corriente a través de él utilizando electrodos en cada extremo, como una lámpara fluorescente . Esta disposición todavía no produce confinamiento a lo largo de la longitud del tubo, por lo que el plasma fluye sobre los electrodos, erosionándolos rápidamente. Esto no es un problema para una máquina puramente experimental, y hay formas de reducir la velocidad. [24] Otra solución es colocar un imán junto al tubo; cuando el campo magnético cambia, las fluctuaciones hacen que se induzca una corriente eléctrica en el plasma. La principal ventaja de esta disposición es que no hay objetos físicos dentro del tubo, por lo que se puede formar un toro y permitir que el plasma circule libremente. [8] [25]
El concepto de pinza toroidal como vía para la fusión fue explorado en el Reino Unido a mediados de la década de 1940, especialmente por George Paget Thomson del Imperial College de Londres . [26] Con la formación del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica (AERE) en Harwell, Oxfordshire , en 1945, Thomson solicitó repetidamente al director, John Cockcroft , fondos para desarrollar una máquina experimental. Estas solicitudes fueron rechazadas. En ese momento no había un uso militar obvio, por lo que el concepto se dejó sin clasificar . Esto permitió a Thomson y Moses Blackman presentar una patente sobre la idea en 1946, describiendo un dispositivo que usaba la corriente de pinza suficiente para ionizar y confinar brevemente el plasma mientras era calentado por una fuente de microondas que también impulsaría continuamente la corriente. [27] [28]
Como dispositivo práctico, existe un requisito adicional: que las condiciones de reacción duren lo suficiente para quemar una cantidad razonable de combustible. En el diseño original de Thomson y Blackman, la inyección de microondas era la encargada de impulsar los electrones para mantener la corriente y producir pinzamientos que duraban alrededor de un minuto, lo que permitía que el plasma alcanzara los 500 millones de K. [29] La corriente en el plasma también lo calentaba; si la corriente también se utilizaba como fuente de calor, el único límite al calentamiento era la potencia del pulso. Esto condujo a un nuevo diseño de reactor en el que el sistema funcionaba con pulsos breves pero muy potentes. [12] Una máquina de este tipo exigiría una fuente de alimentación muy grande. [26]
En 1947, Cockcroft organizó una reunión de varios físicos de Harwell para estudiar los últimos conceptos de Thomson, incluido el director de física teórica de Harwell, Klaus Fuchs . Los conceptos de Thomson fueron mal recibidos, especialmente por Fuchs. [30] Cuando esta presentación tampoco logró obtener financiación, Thomson transmitió sus conceptos a dos estudiantes de posgrado en Imperial, Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [31] ). Añadió un informe sobre un tipo de acelerador de partículas toroidal conocido como "Wirbelrohr" ("tubo de remolino"), diseñado en Alemania por Max Steenbeck . El Wirbelrohr consistía en un transformador con un tubo de vacío en forma de toro como bobina secundaria, similar en concepto a los dispositivos de pinza toroidal. [26]
Más tarde ese año, Ware construyó una pequeña máquina a partir de un viejo equipo de radar y fue capaz de inducir corrientes potentes. Cuando lo hicieron, el plasma emitió destellos de luz, pero no pudo idear una forma de medir la temperatura del plasma. [26] Thomson continuó presionando al gobierno para que le permitiera construir un dispositivo a gran escala, utilizando su considerable poder político para abogar por la creación de una estación experimental dedicada en el laboratorio de Associated Electrical Industries (AEI) que se había construido recientemente en Aldermaston . [32]
Ware discutió los experimentos con cualquiera que estuviera interesado, incluido Jim Tuck del Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Mientras trabajaban en Los Álamos durante la guerra, Tuck y Stanislaw Ulam habían construido un sistema de fusión fallido utilizando explosivos de carga hueca , pero no funcionó. [33] A Tuck se le unió el australiano Peter Thonemann , que había trabajado en la teoría de la fusión, y los dos consiguieron financiación a través de Clarendon para construir un pequeño dispositivo como el del Imperial. Pero antes de que comenzara este trabajo, a Tuck le ofrecieron un trabajo en los EE. UU., y finalmente regresó a Los Álamos. [34]
Thonemann continuó trabajando en la idea y comenzó un programa riguroso para explorar la física básica de los plasmas en un campo magnético. Empezando con tubos lineales y gas mercurio , descubrió que la corriente tendía a expandirse hacia afuera a través del plasma hasta que tocaba las paredes del recipiente (véase el efecto pelicular ). Contrarrestó esto añadiendo pequeños electroimanes fuera del tubo, que empujaban contra la corriente y la mantenían centrada. En 1949, había pasado de los tubos de vidrio a un toro de cobre más grande, en el que pudo demostrar un plasma pinzado estable. Frederick Lindemann y Cockcroft lo visitaron y quedaron debidamente impresionados. [35]
Cockcroft le pidió a Herbert Skinner que revisara los conceptos, lo que hizo en abril de 1948. Era escéptico respecto de las ideas de Thomson para crear una corriente en el plasma y pensaba que las ideas de Thonemann parecían más probables de funcionar. También señaló que no se entendía bien el comportamiento de los plasmas en un campo magnético y que "es inútil hacer mucha más planificación antes de que se resuelva esta duda". [32]
Mientras tanto, en Los Álamos, Tuck informó a los investigadores estadounidenses sobre los esfuerzos británicos. A principios de 1951, Lyman Spitzer presentó su concepto de stellarator y estaba vendiendo la idea en el establishment nuclear en busca de financiación. Tuck era escéptico ante el entusiasmo de Spitzer y pensaba que su programa de desarrollo era "increíblemente ambicioso". [36] Propuso un programa mucho menos agresivo basado en el pellizco. Ambos hombres presentaron sus ideas en Washington en mayo de 1951, lo que dio como resultado que la Comisión de Energía Atómica le diera a Spitzer 50.000 dólares estadounidenses. [36] Tuck convenció a Norris Bradbury , el director de Los Álamos, para que le diera 50.000 dólares estadounidenses del presupuesto discrecional, utilizándolos para construir el Maybeatron . [15]
En 1950, Fuchs admitió haber pasado secretos atómicos del Reino Unido y de los Estados Unidos a la URSS. Como los dispositivos de fusión generaban neutrones de alta energía, que podían utilizarse para enriquecer el combustible nuclear para las bombas, el Reino Unido inmediatamente clasificó toda su investigación sobre fusión. Esto significó que los equipos ya no podían trabajar en el entorno abierto de las universidades. [37] El equipo imperial dirigido por Ware se trasladó a los laboratorios del AEI en Aldermaston y el equipo de Oxford dirigido por Thonemann se trasladó a Harwell. [8] [b]
A principios de 1952, había numerosos dispositivos de pinza en funcionamiento; Cousins y Ware habían construido varias máquinas posteriores bajo el nombre de Sceptre, [38] y el equipo de Harwell había construido una serie de máquinas cada vez más grandes conocidas como Mark I a Mark IV. [39] [40] En los EE. UU., Tuck construyó su Maybeatron en enero de 1952. [41] Más tarde se supo que Fuchs había pasado el trabajo del Reino Unido a los soviéticos, y que también habían comenzado un programa de fusión. [42]
Todos estos grupos tenían claro que algo iba muy mal en las máquinas de compresión. A medida que se aplicaba la corriente, la columna de plasma dentro del tubo de vacío se volvía inestable y se rompía, arruinando la compresión. Investigaciones posteriores identificaron dos tipos de inestabilidades, apodadas "kink" y "sausage". [43] En el caso de la torcedura, el plasma, normalmente toroidal, se doblaba hacia los lados y finalmente tocaba los bordes del recipiente. En el caso de la salchicha, el plasma se estrechaba en lugares a lo largo de la columna de plasma para formar un patrón similar a una cadena de salchichas. [44]
Las investigaciones demostraron que ambas causas eran el mismo mecanismo subyacente. Cuando se aplicaba la corriente de pinzamiento, cualquier área del gas que tuviera una densidad ligeramente superior creaba un campo magnético ligeramente más fuerte y colapsaba más rápido que el gas circundante. Esto hacía que el área localizada tuviera una densidad más alta, lo que creaba un pinzamiento aún más fuerte, y se producía una reacción descontrolada. El colapso rápido en una sola área causaba la ruptura de toda la columna. [44] [c]
Los primeros estudios del fenómeno sugirieron que una solución al problema era aumentar la tasa de compresión. En este enfoque, la compresión se iniciaría y se detendría tan rápidamente que la mayor parte del plasma no tendría tiempo de moverse; en cambio, una onda de choque creada por esta rápida compresión sería responsable de comprimir la mayor parte del plasma. [46] Este enfoque se conoció como pinzamiento rápido . El equipo de Los Álamos que trabajaba en la máquina lineal de Columbus diseñó una versión actualizada para probar esta teoría. [47]
Otros empezaron a buscar formas de estabilizar el plasma durante la compresión y, en 1953, dos conceptos habían cobrado importancia. Una solución era envolver el tubo de vacío en una lámina de metal fino pero muy conductor. Si la columna de plasma empezaba a moverse, la corriente en el plasma induciría un campo magnético en la lámina que, debido a la ley de Lenz , empujaría hacia atrás el plasma. Esto era más eficaz contra movimientos grandes y lentos, como el toro de plasma entero desplazándose dentro de la cámara. [48] [49]
La segunda solución utilizó electroimanes adicionales envueltos alrededor del tubo de vacío. Los campos magnéticos de estos imanes se mezclaron con el campo de pinzamiento creado por la corriente en el plasma. El resultado fue que las trayectorias de las partículas dentro del tubo de plasma ya no eran puramente circulares alrededor del toro, sino retorcidas como las rayas en el poste de un barbero . [13] En los EE. UU., este concepto se conocía como dar al plasma una "columna vertebral", suprimiendo inestabilidades localizadas a pequeña escala. [50] Los cálculos mostraron que este pinzamiento estabilizado mejoraría drásticamente los tiempos de confinamiento, y los conceptos más antiguos "de repente parecieron obsoletos". [48]
Marshall Rosenbluth , recién llegado a Los Álamos, comenzó un estudio teórico detallado del concepto de pinzamiento. Con su esposa Arianna W. Rosenbluth y Richard Garwin , desarrolló la "teoría del motor", o "teoría M", publicada en 1954. La teoría predijo que el efecto de calentamiento de la corriente eléctrica aumentaba considerablemente con la potencia del campo eléctrico. Esto sugería que el concepto de pinzamiento rápido tendría más probabilidades de éxito, ya que era más fácil producir corrientes más grandes en estos dispositivos. Cuando incorporó la idea de los imanes estabilizadores a la teoría, apareció un segundo fenómeno: para un conjunto particular y estrecho de condiciones basadas en el tamaño físico del reactor, la potencia de los imanes estabilizadores y la cantidad de pinzamiento, las máquinas toroidales parecían ser naturalmente estables. [50]
Los investigadores estadounidenses planearon probar tanto el pinch rápido como el pinch estabilizado modificando sus máquinas existentes a pequeña escala. En el Reino Unido, Thomson presionó una vez más para obtener fondos para una máquina más grande. Esta vez fue recibido mucho más calurosamente y se proporcionó una financiación inicial de £ 200,000 a fines de 1954. [40] El trabajo de diseño continuó durante 1955 y en julio el proyecto se denominó ZETA. [51] El término "energía cero" era una frase utilizada en la industria nuclear para referirse a pequeños reactores de investigación , [52] como ZEEP , que tenía un papel similar al objetivo de ZETA de producir reacciones sin liberar energía neta. [53]
El diseño de ZETA se finalizó a principios de 1956. Se contrató a Metropolitan-Vickers para construir la máquina, que incluía un transformador de pulsos de 150 toneladas , el más grande construido en Gran Bretaña hasta ese momento. Surgió un problema grave cuando los aceros de alta resistencia necesarios para los componentes eléctricos escasearon, pero una huelga en la industria eléctrica estadounidense provocó un exceso repentino de material, lo que resolvió el problema. [51]
ZETA era el dispositivo de fusión más grande y poderoso del mundo en el momento de su construcción. [54] [d] Su toro de aluminio tenía un diámetro interno de 1 metro (3 pies 3 pulgadas) y un radio mayor de 1,6 metros (5 pies 3 pulgadas), más de tres veces el tamaño de cualquier máquina construida hasta la fecha. También fue el diseño más poderoso, incorporando un imán de inducción que fue diseñado para inducir corrientes de hasta 100.000 amperios (amps) en el plasma. Las modificaciones posteriores al diseño aumentaron esta cifra a 200.000 amperios. [55] Incluía ambos tipos de estabilización; sus paredes de aluminio actuaban como escudo metálico y una serie de imanes secundarios rodeaban el toro. [53] Las ventanas colocadas en los huecos entre los imanes toroidales permitían la inspección directa del plasma. [8]
En julio de 1954, la AERE se reorganizó en la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA). Las modificaciones al Hangar 7 de Harwell para albergar la máquina comenzaron ese año. [56] A pesar de su diseño avanzado, el precio fue modesto: alrededor de un millón de dólares. [57] [e] A fines de 1956, estaba claro que ZETA entraría en funcionamiento a mediados de 1957, superando al stellarator Modelo C y las versiones más nuevas del Maybeatron y Columbus. Debido a que estos proyectos eran secretos, basándose en la poca información disponible, la prensa concluyó que eran versiones del mismo dispositivo conceptual y que los británicos estaban muy por delante en la carrera por producir una máquina funcional. [53]
A partir de 1953, Estados Unidos se había concentrado cada vez más en el concepto de pinch rápido. Algunas de estas máquinas habían producido neutrones, y estos se asociaron inicialmente con la fusión. Hubo tanto entusiasmo que varios otros investigadores también entraron rápidamente en el campo. Entre ellos estaba Stirling Colgate , pero sus experimentos lo llevaron rápidamente a concluir que la fusión no se estaba produciendo. Según la resistividad de Spitzer , la temperatura del plasma podía determinarse a partir de la corriente que fluía a través de él. Cuando Colgate realizó el cálculo, las temperaturas en el plasma estaban muy por debajo de los requisitos para la fusión. [58]
En vista de lo anterior, era necesario que existiera otro efecto que creara los neutrones. Investigaciones posteriores demostraron que se debían a inestabilidades en el combustible. Las áreas localizadas de alto campo magnético actuaban como pequeños aceleradores de partículas, lo que provocaba reacciones que expulsaban neutrones. Las modificaciones que intentaban reducir estas inestabilidades no lograron mejorar la situación y, en 1956, el concepto de pinch rápido había sido prácticamente abandonado. Los laboratorios estadounidenses comenzaron a prestar atención al concepto de pinch estabilizado, pero para entonces ZETA estaba casi completo y los Estados Unidos estaban muy atrasados. [48]
En 1956, mientras planeaban una visita de estado muy publicitada de Nikita Khrushchev y Nikolai Bulganin al Reino Unido, los investigadores de Harwell recibieron una oferta del científico soviético Igor Kurchatov para dar una charla. Se sorprendieron cuando comenzó su charla sobre "la posibilidad de producir reacciones termonucleares en una descarga gaseosa". [59] El discurso de Kurchatov reveló los esfuerzos soviéticos para producir dispositivos de pinzamiento rápido similares a los diseños estadounidenses, y sus problemas con las inestabilidades en los plasmas. [59] [60] Kurchatov señaló que también habían visto neutrones siendo liberados, y que inicialmente habían creído que eran de fusión. Pero cuando examinaron las cifras, quedó claro que el plasma no estaba lo suficientemente caliente y concluyeron que los neutrones provenían de otras interacciones. [61]
El discurso de Kurchatov dejó en evidencia que los tres países trabajaban sobre los mismos conceptos básicos y que todos se habían topado con el mismo tipo de problemas. Cockcroft no pudo asistir a la visita de Kurchatov porque había partido hacia los Estados Unidos para presionar por la desclasificación de los trabajos sobre fusión y evitar así la duplicación de esfuerzos. En ambos lados del Atlántico existía la creencia generalizada de que compartir sus hallazgos mejoraría enormemente el progreso. Ahora que se sabía que los soviéticos estaban en el mismo nivel básico de desarrollo y que estaban interesados en hablar de ello públicamente, los Estados Unidos y el Reino Unido comenzaron a considerar la posibilidad de publicar también gran parte de su información. Esto se convirtió en un esfuerzo más amplio para publicar toda la investigación sobre fusión en la segunda conferencia Átomos para la Paz en Ginebra en septiembre de 1958. [62]
En junio de 1957, el Reino Unido y los Estados Unidos ultimaron su acuerdo para facilitarse mutuamente datos en algún momento antes de la conferencia, a la que tanto el Reino Unido como los Estados Unidos tenían previsto asistir "en vigor". Los términos finales se alcanzaron el 27 de noviembre de 1957, abriendo los proyectos a inspección mutua y solicitando una amplia divulgación pública de todos los datos en enero de 1958. [63]
ZETA comenzó a funcionar a mediados de agosto de 1957, [56] inicialmente con hidrógeno. Estas pruebas demostraron que ZETA no sufría los mismos problemas de estabilidad que habían tenido las máquinas de pinza anteriores y que sus plasmas duraban milisegundos, en lugar de microsegundos, una mejora de tres órdenes de magnitud . [64] La longitud de los pulsos permitió medir la temperatura del plasma utilizando medios espectrográficos ; aunque la luz emitida era de banda ancha, el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales de ligeras impurezas en el gas (oxígeno en particular) condujo a temperaturas calculables. [65]
Incluso en las primeras pruebas experimentales, el equipo comenzó a introducir gas deuterio en la mezcla y a aumentar la corriente hasta 200.000 amperios. En la tarde del 30 de agosto, la máquina produjo una enorme cantidad de neutrones , del orden de un millón por pulso experimental o "disparo". [66] A continuación se intentó duplicar los resultados y eliminar posibles fallos en las mediciones. [67]
Mucho dependía de la temperatura del plasma; si la temperatura era baja, los neutrones no estarían relacionados con la fusión. Las mediciones espectrográficas sugerían temperaturas del plasma entre 1 y 5 millones de K; a esas temperaturas, la tasa de fusión prevista estaba dentro de un factor de dos del número de neutrones observados. Parecía que ZETA había alcanzado el objetivo largamente buscado de producir un pequeño número de reacciones de fusión, como estaba diseñado para hacer. [57]
Los esfuerzos estadounidenses habían sufrido una serie de pequeños contratiempos técnicos que retrasaron sus experimentos durante aproximadamente un año; tanto el nuevo Maybeatron S-3 como el Columbus II no comenzaron a funcionar hasta aproximadamente la misma época que ZETA, a pesar de ser experimentos mucho más pequeños. Sin embargo, cuando estos experimentos entraron en funcionamiento a mediados de 1957, también comenzaron a generar neutrones. [68] En septiembre, tanto estas máquinas como un nuevo diseño, DCX en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , parecían tan prometedores que Edward Gardner informó que:
…existe una clara posibilidad de que tanto la máquina de Oak Ridge como la de Los Álamos hayan confirmado en enero de 1958 la producción de neutrones termonucleares. [68]
Las noticias eran demasiado buenas para guardarlas en secreto. En septiembre empezaron a aparecer filtraciones tentadoras. En octubre, Thonemann, Cockcroft y William P. Thompson insinuaron que se obtendrían resultados interesantes. En noviembre, un portavoz de la UKAEA señaló: «Hay indicios de que se ha logrado la fusión». [57] Basándose en estas pistas, el Financial Times dedicó un artículo entero de dos columnas al tema. Entre esa fecha y principios de 1958, la prensa británica publicó una media de dos artículos semanales sobre ZETA. [53] Incluso los periódicos estadounidenses recogieron la historia; el 17 de noviembre, el New York Times informó de los indicios de éxito. [69]
Aunque los británicos y los EE. UU. habían acordado publicar sus datos en su totalidad, en este punto el director general del programa estadounidense, Lewis Strauss , decidió retrasar la publicación. [63] Tuck argumentó que el campo parecía tan prometedor que sería prematuro publicar cualquier dato antes de que los investigadores supieran que la fusión definitivamente estaba teniendo lugar. [48] Strauss estuvo de acuerdo y anunció que retendrían sus datos durante un período para verificar sus resultados. [63]
A medida que el asunto se hizo más conocido en la prensa, el 26 de noviembre se planteó la cuestión de la publicación en la Cámara de los Comunes . En respuesta a una pregunta de la oposición, el líder de la Cámara anunció públicamente los resultados, al tiempo que explicaba el retraso en la publicación debido al acuerdo entre el Reino Unido y los Estados Unidos. [69] La prensa del Reino Unido interpretó esto de manera diferente, [53] afirmando que los Estados Unidos estaban demorando el proceso porque no podían reproducir los resultados británicos. [70]
La situación llegó a un punto crítico el 12 de diciembre cuando un ex miembro del parlamento, Anthony Nutting , escribió un artículo en el New York Herald Tribune afirmando:
Algunas personas me han sugerido, con malos ojos, que la verdadera razón de esta renuencia norteamericana a que se publique esta trascendental noticia es política. Señalan la pérdida de prestigio que sufriría la Administración si tuviera que admitir que Gran Bretaña, así como Rusia, están por delante de Estados Unidos en materia de desarrollo científico. Prefiero creer que esta actitud se debe a una aplicación servil y equivocada de la seguridad. Pero, sea cual sea la razón, demuestra una deplorable concepción errónea en Washington del verdadero significado de la asociación con Occidente y de la naturaleza real de la amenaza soviética. [71]
El artículo provocó una oleada de actividad en la administración Macmillan . Habiendo planeado originalmente publicar sus resultados en una reunión programada de la Royal Society , hubo una gran preocupación sobre si invitar a los estadounidenses y soviéticos, especialmente porque creían que los estadounidenses se molestarían mucho si los soviéticos llegaban, pero igualmente molestos si no eran invitados y el evento era completamente británico. [72] El asunto finalmente llevó a la UKAEA a hacer un anuncio público de que Estados Unidos no estaba reteniendo los resultados de ZETA, [73] pero esto enfureció a la prensa local, que continuó afirmando que Estados Unidos estaba demorando para permitirles ponerse al día. [57] [f]
Cuando se firmó el acuerdo de intercambio de información en noviembre se obtuvo otro beneficio: se permitió que los equipos de los distintos laboratorios se visitaran entre sí. El equipo estadounidense, que incluía a Stirling Colgate, Lyman Spitzer, Jim Tuck y Arthur Edward Ruark , visitó ZETA y concluyó que había una "gran probabilidad" de que los neutrones fueran de fusión. [63]
A su regreso a los EE. UU., Spitzer calculó que algo no iba bien con los resultados de ZETA. Observó que la temperatura aparente, 5 millones de K, no tendría tiempo de desarrollarse durante los cortos tiempos de encendido. ZETA no descargaba suficiente energía en el plasma para calentarlo a esas temperaturas tan rápidamente. Si la temperatura aumentaba a la velocidad relativamente lenta que sugerían sus cálculos, la fusión no se estaría produciendo al principio de la reacción y no podría estar añadiendo energía que pudiera compensar la diferencia. Spitzer sospechó que la lectura de la temperatura no era precisa. Dado que era la lectura de la temperatura la que sugería que los neutrones provenían de la fusión, si la temperatura era más baja, implicaba que los neutrones no eran de origen de fusión. [74]
Colgate había llegado a conclusiones similares. A principios de 1958, él, Harold Furth y John Ferguson iniciaron un estudio exhaustivo de los resultados de todas las máquinas de pinza conocidas. En lugar de inferir la temperatura a partir de la energía de los neutrones, utilizaron la conductividad del propio plasma, basándose en las relaciones bien entendidas entre temperatura y conductividad . Llegaron a la conclusión de que las máquinas estaban produciendo temperaturas quizás 1 ⁄ 10 de lo que sugerían los neutrones, ni de lejos lo suficientemente altas como para explicar la cantidad de neutrones que se producían, independientemente de su energía. [74]
En esa época, las últimas versiones de los dispositivos de pinza estadounidenses, Maybeatron S-3 y Columbus S-4, ya producían neutrones propios. El mundo de la investigación sobre la fusión alcanzó un punto álgido. En enero, los resultados de los experimentos de pinza realizados en los Estados Unidos y el Reino Unido anunciaron que se estaban liberando neutrones y que, aparentemente, se había logrado la fusión. Las dudas de Spitzer y Colgate fueron ignoradas. [74]
La publicación de los datos de fusión, que se había planeado desde hacía tiempo, se hizo pública a mediados de enero. En la edición del 25 de enero de 1958 de Nature se publicó en profundidad una cantidad considerable de material procedente de los dispositivos ZETA y Sceptre del Reino Unido , que también incluía resultados de los Maybeatron S-3, Columbus II y Columbus S-2 de Los Álamos. La prensa británica estaba furiosa. The Observer escribió que «las tácticas del almirante Strauss han estropeado lo que debería ser un anuncio emocionante de progreso científico, de modo que se ha convertido en un sórdido episodio de política de prestigio». [57]
Los resultados fueron típicos del lenguaje científico normalmente sobrio, y aunque se notaron los neutrones, no hubo afirmaciones sólidas sobre su origen. [47] El día antes de la publicación, Cockcroft, el director general de Harwell, convocó una conferencia de prensa para presentar los resultados a la prensa británica. Se puede ver cierta indicación de la importancia del evento en la presencia de un equipo de campo de la televisión de la BBC , algo poco común en ese momento. [75] Comenzó presentando el programa de fusión y la máquina ZETA, y luego señaló:
En todos los experimentos sobre descargas toroidales se han observado neutrones en cantidades similares a las que cabría esperar si se produjeran reacciones termonucleares. Sin embargo, es bien sabido por experimentos anteriores realizados en laboratorios rusos y otros que las inestabilidades en el canal de corriente pueden dar lugar a campos eléctricos intensos que aceleran los deuterones y pueden producir neutrones. Por tanto, en ningún caso se ha demostrado definitivamente que los neutrones se deban al movimiento aleatorio del deuterio asociado a una temperatura del orden de cinco millones de grados... Sin embargo, su origen se aclarará tan pronto como se pueda aumentar el número de neutrones producidos aumentando la corriente y las temperaturas.
— John Cockcroft , 24 de enero de 1958 [76]
Los periodistas que asistieron a la reunión no quedaron satisfechos con esta evaluación y siguieron presionando a Cockcroft sobre la cuestión de los neutrones. Después de que se le preguntara varias veces, acabó afirmando que, en su opinión, estaba "90 por ciento seguro" de que se debían a la fusión. [76] Esto no era prudente; una declaración de opinión de un ganador del premio Nobel se tomaba como una declaración de hechos. [75] Al día siguiente, los periódicos del domingo estaban cubiertos con la noticia de que se había logrado la fusión en ZETA, a menudo con afirmaciones sobre cómo el Reino Unido estaba ahora muy por delante en la investigación de la fusión. Cockcroft siguió promocionando los resultados en la televisión después de la publicación, afirmando: "Para Gran Bretaña, este descubrimiento es más importante que el Sputnik ruso". [77] [78]
Como estaba previsto, Estados Unidos también publicó un gran lote de resultados de sus máquinas de pellizco más pequeñas. Muchas de ellas también emitían neutrones, aunque ZETA se estabilizó durante períodos mucho más largos y generó más neutrones, por un factor de aproximadamente 1000. [79] Cuando se le preguntó sobre el éxito en el Reino Unido, Strauss negó que Estados Unidos estuviera rezagado en la carrera de la fusión. Al informar sobre el tema, The New York Times decidió centrarse en el Columbus II de Los Álamos, solo mencionó a ZETA más adelante en el artículo, y luego concluyó que los dos países estaban "empatados". [80] Otros informes de Estados Unidos en general dieron el mismo apoyo a ambos programas. [81] Los periódicos del resto del mundo fueron más favorables al Reino Unido; Radio Moscú llegó al extremo de felicitar públicamente al Reino Unido sin mencionar en absoluto los resultados de Estados Unidos. [57]
Como ZETA siguió generando resultados positivos, se hicieron planes para construir una máquina de seguimiento. El nuevo diseño se anunció en mayo; ZETA II sería una máquina significativamente más grande de 14 millones de dólares cuyo objetivo explícito sería alcanzar los 100 millones de K y generar energía neta. [57] Este anuncio recibió elogios incluso en los EE. UU.; The New York Times publicó un artículo sobre la nueva versión. [82] Se anunciaron máquinas similares a ZETA en todo el mundo; la Universidad de Osaka anunció que su máquina de pinza era incluso más exitosa que ZETA, el equipo de Aldermaston anunció resultados positivos de su máquina Sceptre que costó solo 28.000 dólares, y se construyó un nuevo reactor en la Universidad de Uppsala que se presentó públicamente más tarde ese año. [54] El Instituto Efremov en Leningrado comenzó la construcción de una versión más pequeña de ZETA, aunque todavía más grande que la mayoría, conocida como Alpha. [83]
Spitzer ya había llegado a la conclusión de que la teoría conocida sugería que la ZETA no estaba ni cerca de las temperaturas que el equipo afirmaba alcanzar, y durante la publicidad que rodeó la publicación del trabajo, sugirió que "parecería estar involucrado algún mecanismo desconocido". [80] Otros investigadores en los EE. UU., en particular Furth y Colgate, fueron mucho más críticos y le dijeron a cualquiera que quisiera escucharlos que los resultados eran una tontería. [80] En la Unión Soviética, Lev Artsimovich se apresuró a traducir el artículo de Nature y, después de leerlo, declaró "¡Chush sobachi!" (tonterías). [84]
Cockcroft había declarado que estaban recibiendo muy pocos neutrones del dispositivo para medir su espectro o su dirección. [76] No hacerlo significaba que no podían eliminar la posibilidad de que los neutrones se estuvieran liberando debido a efectos eléctricos en el plasma, el tipo de reacciones que Kurchatov había señalado anteriormente. [85]
De hecho, tales mediciones habrían sido fáciles de realizar. [85] En el mismo hangar reformado que albergaba a ZETA se encontraba el proyecto del Sincrociclotrón Harwell dirigido por Basil Rose. Este proyecto había construido una cámara de difusión de nubes de alta presión sensible como detector principal del ciclotrón. Rose estaba convencido de que sería capaz de medir directamente las energías y trayectorias de los neutrones. [85]
En una serie de experimentos realizados en febrero y marzo de 1958, demostró que los neutrones tenían una alta direccionalidad, en desacuerdo con un origen de fusión que se esperaría que tuviera una dirección aleatoria. Para demostrarlo aún más, hizo funcionar la máquina con la corriente en la corriente de descarga funcionando "al revés". Si los neutrones hubieran sido de fusión, la velocidad neta debería haber sido cero, es decir, deberían haber viajado en direcciones aleatorias. [86] Las mediciones mostraron que este no era el caso, no solo había una clara direccionalidad en su liberación, sino que se invertía cuando se invertía la corriente. Esto sugería que los neutrones eran el resultado de la corriente eléctrica en sí, no de reacciones de fusión dentro del plasma. [85] [87] [88] También notaron que la energía de los neutrones era extremadamente cercana a la de una reacción de fusión DD, lo que sugería que la fuente eran partículas D que colisionaban con un sólido en el reactor. [86]
A esto le siguieron experimentos similares en Maybeatron y Columbus, que demostraron los mismos problemas. [85] El problema era una nueva forma de inestabilidad, las "microinestabilidades" o inestabilidades MHD, que eran causadas por señales de tipo ondulatorio en el plasma. [89] Estas habían sido predichas, pero mientras que la torcedura estaba en la escala de todo el plasma y podía verse fácilmente en fotografías, estas microinestabilidades eran demasiado pequeñas y se movían rápidamente para detectarlas fácilmente, y simplemente no se habían notado antes. Pero al igual que la torcedura, cuando se desarrollaron estas inestabilidades, se desarrollaron áreas de enorme potencial eléctrico, acelerando rápidamente los protones en el área. Estos a veces colisionaban con neutrones en el plasma o las paredes del contenedor, expulsándolos a través de la espalación de neutrones . [90] Este es el mismo proceso físico que había estado creando neutrones en diseños anteriores, el problema que Cockcroft había mencionado durante los comunicados de prensa, pero su causa subyacente era más difícil de ver y en ZETA eran mucho más potentes. La promesa de un pinch estabilizado desapareció. [85]
Cockcroft se vio obligado a publicar una humillante retractación el 16 de mayo de 1958, en la que afirmaba que "está haciendo exactamente el trabajo que esperábamos que hiciera y está funcionando exactamente como esperábamos que lo hiciera". [91] Le Monde llevó el asunto a un titular de primera plana en junio, señalando que "contrariamente a lo anunciado hace seis meses en Harwell, los expertos británicos confirman que la energía termonuclear no ha sido 'domesticada ' ". [92] El evento dejó helado a todo el campo; no fueron sólo los británicos los que quedaron tontos, todos los demás países involucrados en la investigación de la fusión se habían apresurado a subirse al carro. [92]
A partir de 1955, [93] Cockcroft había presionado para que se estableciera un nuevo sitio para la construcción de múltiples prototipos de reactores de fisión para producir energía. Christopher Hinton se opuso firmemente a esto y estalló un furioso debate dentro de la UKAEA sobre el tema. [g] Cockcroft finalmente ganó el debate y, a fines de 1958, la UKAEA formó AEE Winfrith en Dorset , donde finalmente construyeron varios diseños de reactores experimentales. [95]
Cockcroft también había presionado para que el reactor ZETA II se alojara en el nuevo sitio. Argumentó que Winfrith sería más adecuado para construir el gran reactor, y el sitio no clasificado se adaptaría mejor a la investigación ahora no clasificada. Esto condujo a lo que se ha descrito como "lo más cercano a una rebelión que los científicos individualistas de Harwell podrían montar". [96] Thonemann dejó en claro que no estaba interesado en mudarse a Dorset y sugirió que varios otros miembros de alto rango también renunciarían en lugar de mudarse. Luego se fue de año sabático a la Universidad de Princeton durante un año. Todo el asunto fue una gran tensión para Basil Schonland , quien se hizo cargo de la división de Investigación cuando Cockcroft se fue en octubre de 1959 para convertirse en el rector del recién formado Churchill College, Cambridge . [97]
Mientras esto ocurría, la propuesta original de ZETA II había ido creciendo cada vez más, llegando a especificar corrientes tan potentes como las del Joint European Torus que se construyó años después. [97] Como parecía que esto estaba más allá del estado de la técnica, [98] el proyecto finalmente se canceló en febrero de 1959. [99] Una nueva propuesta pronto tomó su lugar, el Experimento de Estabilidad de Corriente Intermedia (ICSE). [83] [100] El ICSE fue diseñado para aprovechar otros efectos estabilizadores observados en la teoría M, que sugería que los pinchazos muy rápidos harían que la corriente fluyera solo en la capa exterior del plasma, que debería ser mucho más estable. Con el tiempo, esta máquina creció hasta tener aproximadamente el mismo tamaño que ZETA; el ICSE tenía un diámetro mayor de 6 m y un diámetro menor de 1 m, alimentado por un banco de condensadores que almacenaban 10 MJ a 100 kV. [100]
Harwell no era tan adecuada para ICSE como para ZETA II, por lo que Schonland se acercó al gobierno con la idea de un nuevo sitio para la investigación de la fusión ubicado cerca de Harwell. Se sorprendió al descubrir que estaban contentos con la idea, ya que esto limitaría el empleo en Harwell, cuya nómina se estaba volviendo demasiado compleja de administrar. Un estudio posterior demostró que el costo de construir un nuevo sitio se compensaría con los ahorros en mantener el sitio cerca de Harwell; si ICSE se construía en Winfrith, los costos de viaje entre los sitios serían considerables. En mayo de 1959, la UKAEA compró RNAS Culham , a unas 10 millas (16 km) de Harwell. [95] La construcción de ICSE comenzó más tarde ese año, comenzando con un edificio de un acre para albergarlo, conocido como "D-1". [100]
Mientras tanto, se continuó trabajando en ZETA para entender mejor qué estaba causando las nuevas formas de inestabilidad. Nuevas técnicas de diagnóstico demostraron que las energías de los electrones eran muy bajas, del orden de 10 eV (aproximadamente 100.000 K), mientras que las temperaturas de los iones eran algo más altas, de 100 eV. Ambos apuntaban a una rápida pérdida de energía en el plasma, lo que a su vez sugería que el combustible era turbulento y escapaba del confinamiento para golpear las paredes de la cámara, donde se enfriaba rápidamente. Una presentación completa de los resultados se realizó en la Conferencia de Salzburgo en 1961, donde la delegación soviética presentó resultados muy similares en su clon de ZETA, Alpha. [83]
En aquel momento no se identificó claramente la fuente de esta turbulencia, pero el equipo sugirió que se debía a modos resistivos impulsados por la corriente; si no se utilizaba la suposición simplificadora de que el plasma no tenía resistencia macroscópica, aparecerían naturalmente nuevas inestabilidades. Cuando el nuevo director de la UKAEA, William Penney , se enteró de que el diseño del ICSE también se basaba en la suposición de que no había resistencia, canceló el proyecto en agosto de 1960. [101] Otros equipos se hicieron con piezas para el reactor parcialmente ensamblado. [102]
Thonemann había regresado a esa altura y encontró muchos puntos en los que no estaba de acuerdo con el ICSE. Exigió que se le permitiera crear un nuevo grupo de fusión que permaneciera en Harwell en ZETA. [103] ZETA siguió siendo la máquina toroidal más grande del mundo durante algún tiempo, [83] y tuvo una carrera productiva durante poco más de una década, pero a pesar de sus éxitos posteriores, ZETA siempre fue conocida como un ejemplo de la locura británica. [92] [104]
El fracaso de ZETA se debió a la información limitada; utilizando las mejores mediciones disponibles, ZETA estaba devolviendo varias señales que sugerían que los neutrones se debían a la fusión. Las mediciones originales de temperatura se realizaron examinando el desplazamiento Doppler de las líneas espectrales de los átomos en el plasma. [65] La inexactitud de la medición y los resultados espurios causados por los impactos de los electrones con el contenedor llevaron a mediciones engañosas basadas en las impurezas, no en el plasma en sí. Durante la década siguiente, ZETA se utilizó continuamente en un esfuerzo por desarrollar mejores herramientas de diagnóstico para resolver estos problemas. [105]
Este trabajo finalmente desarrolló un método que se utiliza hasta el día de hoy. La introducción de los láseres proporcionó una nueva solución a través de un descubrimiento británico conocido como dispersión de Thomson . Los láseres tienen un control de frecuencia extremadamente preciso y estable, y la luz que emiten interactúa fuertemente con los electrones libres. Un láser dirigido hacia el plasma se reflejará en los electrones, y durante este proceso se desplazará por efecto Doppler debido al movimiento de los electrones. La velocidad de los electrones es una función de su temperatura, por lo que al comparar la frecuencia antes y después de las colisiones, la temperatura de los electrones podría medirse con un grado extremadamente alto de precisión. [106] Al "invertir" el sistema, también podría medirse directamente la temperatura de los iones. [107]
Durante la década de 1960, ZETA no fue el único experimento que sufrió problemas de rendimiento inesperados. Los problemas con la difusión del plasma a través de los campos magnéticos plagaron tanto los programas del espejo magnético como del estelarizador, a velocidades que la teoría clásica no podía explicar. [108] Añadir más campos no pareció corregir los problemas en ninguno de los diseños existentes. El trabajo se ralentizó drásticamente a medida que equipos de todo el mundo intentaban comprender mejor la física de los plasmas en sus dispositivos. Pfirsch y Schluter fueron los primeros en hacer un avance significativo, sugiriendo que se necesitarían máquinas mucho más grandes y potentes para corregir estos problemas. [109] Una actitud de pesimismo se arraigó en todo el campo. [110]
En 1968 se celebró una reunión de investigadores de la fusión en Novosibirsk , donde, para sorpresa de todos, los anfitriones soviéticos presentaron su trabajo sobre sus diseños de tokamak que tenían cifras de rendimiento que ningún otro experimento estaba ni cerca de igualar. [111] El último de sus diseños, el T-3, estaba produciendo energías electrónicas de 1000 eV , en comparación con aproximadamente 10 eV en ZETA. [83] [112] Esto correspondía a una temperatura de plasma de aproximadamente 10 millones de K. [106] Aunque el equipo soviético era muy respetado, los resultados fueron tan buenos que existía una gran preocupación de que sus mediciones indirectas de temperatura pudieran ser poco confiables y hubieran sido víctimas de un problema de medición como el que había ocurrido con ZETA. [110] Spitzer, una vez más, expresó su escepticismo con bastante fuerza, lo que desencadenó un acalorado debate con Artsimovich. [113] [114]
Los soviéticos estaban igualmente preocupados por esto, y aunque era el apogeo de la Guerra Fría , Artsimovich invitó a UKAEA a llevar su sistema láser al Instituto Kurchatov y medir de forma independiente el rendimiento. [115] Artsimovich había llamado previamente a su sistema "brillante". [116] El equipo se hizo conocido como "los cinco de Culham", [106] realizando una serie de mediciones a fines de 1968 y principios de 1969. El artículo resultante se publicó en noviembre de 1969 [117] y convenció al campo de investigación de fusión de que el tokamak estaba alcanzando de hecho los niveles de rendimiento que afirmaban los soviéticos. El resultado fue una "verdadera estampida" de construcción de tokamak en todo el mundo, [89] y sigue siendo el dispositivo más estudiado en el campo de la fusión. [13]
Los tokamaks son máquinas de pinza toroidales. La diferencia clave es la intensidad relativa de los campos. [112] En las máquinas de pinza estabilizadas, la mayor parte del campo magnético en el plasma era generado por la corriente inducida en él. La intensidad de los campos de estabilización externos era mucho menor y solo penetraba en las capas externas de la masa de plasma. El tokamak invirtió esto; los imanes externos eran mucho más potentes y la corriente de plasma se redujo considerablemente en comparación. Artsimovich lo expresó de esta manera:
La intensidad del campo longitudinal debe ser muchas veces mayor que la intensidad del campo azimutal producido por la corriente. Esta constituye la principal diferencia entre los dispositivos tokamak y los sistemas con campos longitudinales relativamente débiles, como el conocido dispositivo inglés Zeta. [89]
Esta diferencia es hoy parte de un concepto general conocido como el factor de seguridad , denotado q. Tiene que ser mayor que uno para mantener la estabilidad durante una descarga; en ZETA era aproximadamente 1 ⁄ 3 . Una máquina tipo ZETA podría alcanzar este q, pero requeriría imanes externos enormemente poderosos para igualar los campos igualmente grandes generados por la corriente. El enfoque tokamak resolvió esto usando menos corriente de pinzamiento; esto hizo que el sistema fuera estable pero significaba que la corriente ya no podía usarse para calentar el plasma. Los diseños Tokamak requieren alguna forma de calentamiento externo. [89]
En 1965, el recién inaugurado laboratorio de Culham albergó lo que se había convertido en una reunión periódica de investigadores internacionales de la fusión. De todos los trabajos presentados, sólo había dos artículos sobre el pinch estabilizado, ambos sobre ZETA. Spitzer no los mencionó durante los comentarios de apertura. [118]
Normalmente, el pulso de electricidad enviado a ZETA formaba un pulso de corriente con una forma similar a una distribución de Poisson , que aumentaba rápidamente y luego se detenía. Uno de los artículos señaló que la estabilidad del plasma alcanzó un máximo justo después de que la corriente comenzara a disminuir, y luego duró más que el pulso de corriente en sí. Dado que la corriente estaba allí para proporcionar confinamiento, que el plasma realmente aumentara en confinamiento a medida que se reducía la corriente fue completamente inesperado. Este fenómeno se denominó "quiescencia". [118]
Tres años después, en la misma reunión en la que se dieron a conocer por primera vez los resultados soviéticos con el tokamak T-3, Robinson y King analizaron en un artículo el período de inactividad y determinaron que se debía a que el campo magnético toroidal original se invertía, creando una configuración más estable. En aquel momento, la enormidad de los resultados del T-3 eclipsó este resultado. [119]
John Bryan Taylor se ocupó del tema y comenzó un estudio teórico detallado del concepto, publicando un artículo innovador sobre el tema en 1974. Demostró que, a medida que el campo magnético que generaba el pinchazo se relajaba, interactuaba con los campos estabilizadores preexistentes, creando un campo magnético autoestable. El fenómeno fue impulsado por el deseo del sistema de preservar la helicidad magnética , lo que sugirió varias formas de mejorar el tiempo de confinamiento. [120]
Aunque la fuerza estabilizadora era menor que la fuerza disponible en el pinch, duraba considerablemente más. Parecía que se podía construir un reactor que se acercara al criterio de Lawson desde una dirección diferente, utilizando tiempos de confinamiento extendidos en lugar de una mayor densidad. Esto era similar al enfoque del estelarador en concepto, y aunque tendría una intensidad de campo menor que esas máquinas, la energía necesaria para mantener el confinamiento era mucho menor. Hoy en día, este enfoque se conoce como el pinch de campo invertido (RFP) y ha sido un campo de estudio continuo. [121] [h]
El estudio de Taylor sobre la relajación en el estado inverso condujo a su desarrollo de una comprensión teórica más amplia del papel de la helicidad magnética y los estados de energía mínima, lo que avanzó enormemente en la comprensión de la dinámica del plasma. El estado de energía mínima, conocido como el " estado de Taylor ", es particularmente importante para la comprensión de los nuevos enfoques de fusión en la clase de toroides compactos . Taylor pasó a estudiar la transformación de globo, un problema que se estaba produciendo en las últimas máquinas toroidales de alto rendimiento a medida que se formaban formas de onda a gran escala en el plasma. Su trabajo en la investigación de la fusión le valió el Premio James Clerk Maxwell de Física del Plasma de 1999. [123]
Culham se inauguró oficialmente en 1965 y, durante este período, varios equipos comenzaron a abandonar las antiguas instalaciones. Un equipo mantuvo a ZETA en funcionamiento hasta septiembre de 1968. [124] [125] El hangar 7, que albergaba a ZETA y otras máquinas, fue demolido durante el ejercicio económico 2005/2006. [126]
51°34′48″N 1°18′30″W / 51.5799°N 1.3082°W / 51.5799; -1.3082