El solenoide toroidal fue un diseño de 1946 para un dispositivo de energía de fusión diseñado por George Paget Thomson y Moses Blackman del Imperial College de Londres . Proponía confinar un plasma de combustible de deuterio a una cámara toroidal (con forma de rosquilla) utilizando imanes y luego calentarlo a temperaturas de fusión utilizando energía de radiofrecuencia al estilo de un horno microondas . Es notable 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 siguientes años, Thomson continuó sugiriendo que se iniciara un esfuerzo experimental para estudiar estos temas, pero fue rechazado repetidamente porque la teoría subyacente de la difusión del plasma no estaba bien desarrollada. Cuando Peter Thonemann sugirió conceptos similares que incluían un sistema de calentamiento más práctico, John Cockcroft comenzó a tomar el concepto más en serio y estableció pequeños grupos de estudio en Harwell . Thomson adoptó el concepto de Thonemann y abandonó el sistema de radiofrecuencia.
Cuando a principios de 1948 todavía no se había concedido la patente, el Ministerio de Abastecimiento preguntó por las intenciones de Thomson. Thomson explicó los problemas que había tenido para poner en marcha un programa y que no quería ceder los derechos hasta que eso se aclarara. Como directores del programa nuclear del Reino Unido, el Ministerio obligó rápidamente a Harwell a financiar el programa de Thomson. Thomson cedió entonces sus derechos sobre la patente, que se concedió a finales de ese año. Cockcroft también financió el trabajo de Thonemann y, con ello, el programa de fusión del Reino Unido comenzó en serio. Tras el furor informativo sobre el Proyecto Huemul en febrero de 1951, se liberaron fondos importantes que llevaron al rápido crecimiento del programa a principios de los años 50 y, en última instancia, al reactor ZETA de 1958.
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 . El trabajo de George Gamow de 1928 sobre el 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 . [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 en una lámina de metal que contenía deuterio, litio u otros elementos. [5] 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). [6]
Esta energía corresponde a la energía media de las partículas en un gas calentado a mil millones de grados Kelvin . Los materiales calentados a más de unas pocas decenas de miles de grados 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, 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. [7]
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. [8] [9]
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 . [7] En un reactor de fusión, el problema es mantener el plasma contenido frente a esta presión; cualquier contenedor físico conocido se derretiría a temperaturas de miles de grados Kelvin, muy por debajo de los millones necesarios para la fusión. [10]
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. [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 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. [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 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. [15] Pero, como señaló Fermi, [b] cuando el solenoide se dobla en un anillo, los devanados eléctricos del solenoide estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto conduciría a un campo desigual a través del tubo, y el combustible se alejaría lentamente del centro. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando confinamiento a largo plazo. [15] [17] [18]
Thomson comenzó a desarrollar su concepto en febrero de 1946. Observó que esta disposición hacía que los iones de combustible con carga positiva se desplazaran hacia afuera más rápidamente que los electrones con carga negativa . Esto daría lugar a una zona negativa en el centro de la cámara que se desarrollaría en un corto período de tiempo. Esta carga negativa neta produciría entonces una fuerza de atracción sobre los iones, evitando que se alejaran demasiado del centro y, por tanto, que se desplazaran 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 emitidas a la cámara. Los electrones en el plasma serían "bombeados" por esta energía, transfiriéndola a los iones a través de colisiones. Si la cámara contenía 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 describió 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]
Teniendo en cuenta el problema, Thomson decidió intentar solicitar una patente sobre el concepto. Esto garantizaría que se registraran los orígenes de los conceptos y demostraría que las ideas se debían a esfuerzos en el Reino Unido y no a su trabajo previo sobre la bomba atómica . En ese momento, Thomson no estaba preocupado por establecer una prioridad personal para el concepto ni por generar ingresos a partir de él. Por sugerencia suya, el 26 de marzo de 1946 se reunieron con Arthur Block del Ministerio de Suministros (MoS), lo que llevó a BL Russel, el agente de patentes del MoS, a comenzar a escribir una solicitud de patente que sería propiedad exclusiva del gobierno. [19]
Peierls luego continuó con una larga 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 se vieran obligadas a cruzar las líneas magnéticas debido a la regla de la mano derecha , lo que haría que los electrones orbitaran alrededor de la cámara en dirección poloidal, eliminando el área de electrones aumentados en el centro y permitiendo así que los iones se desviaran 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, por menos del radio de los electrones en el campo. No habría confinamiento de los iones. [20]
También incluyó dos preocupaciones adicionales. Una se relacionaba con el impacto de los iones de combustible de deuterio contra las paredes de la cámara y los efectos que esto tendría, y la otra era que si los electrones salieran del plasma, se obligaría a un ion a salir para mantener el equilibrio de carga, lo que rápidamente "limpiaría" todo el gas de la cámara. [20] [c]
Thomson no estaba demasiado preocupado por los dos problemas menores, pero aceptó que el principal, sobre los campos cruzados, era un problema serio. Al considerar el problema, una semana después escribió de nuevo 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 movería 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 a través de la radiación de frenado . 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 durante varios minutos. Aunque no se menciona el término "efecto pinza", excepto para el concepto de generación actual, la descripción era similar a las máquinas pinza que se generalizarían en la década de 1950. [22]
Thomson fue enviado a la ciudad de Nueva York como parte de la delegación británica a 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, incluyendo 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 forma de que el dispositivo funcionara. Luego agregó una declaración muy profética de que podría haber más inestabilidades desconocidas que arruinarían el confinamiento. [23]
Peierls concluyó sugiriendo que los estudios iniciales sobre el efecto pinza los realizara Moon 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 hay constancia de que se llevara a cabo este trabajo, aunque sí se trabajó en estudios teóricos sobre el comportamiento del plasma en caso de pinzamiento. [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 utilizaba un mecanismo similar al de 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 paralelismos entre este dispositivo y el concepto de Thomson eran obvios, pero el mecanismo de aceleración de Steenbeck era novedoso y presentaba un sistema de calentamiento potencialmente más eficiente. [23]
Cuando regresó a Londres después de la reunión, Thomson había puesto a dos estudiantes de doctorado en el proyecto, con Alan Ware encargado de construir un Wirbelrohr y Stanley Cousins iniciando un estudio matemático sobre la difusión del plasma en un campo magnético. [23] Ware construyó un dispositivo utilizando un tubo de 3 cm doblado en un toro de 25 cm de ancho. Utilizando una amplia variedad de presiones de gas y corrientes de hasta 13.000 amperios, Ware fue capaz de mostrar alguna evidencia del pinzamiento del plasma, pero no pudo, como los alemanes, encontrar ninguna evidencia de los electrones desprendidos. Con este éxito limitado, Ware y Cousins construyeron un segundo dispositivo a 40 cm y hasta 27.000 amperios. Una vez más, no se vio evidencia de la ruptura de electrones, pero esta vez una nueva cámara de espejo giratorio de alta velocidad fue capaz de obtener una imagen directa del plasma durante la descarga y pudo demostrar de manera concluyente que el plasma estaba siendo efectivamente pinzado. [24]
Mientras Cousins y Ware comenzaban su trabajo, en abril de 1947 Thomson presentó una solicitud de patente más completa. En ella se describía un toro más grande de 4 metros (13 pies) de ancho con muchos puertos para inyectar y extraer gas y para inyectar la energía de radiofrecuencia para impulsar la corriente. Luego, todo el sistema se colocó dentro de un gran imán que producía un campo magnético vertical moderado de 0,15 T en todo el toro, que mantenía confinados a los electrones. Predijo que se necesitaría una entrada de potencia 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 que si el sistema estaba rodeado de uranio natural, principalmente 238 U , los neutrones lo transmutarían en plutonio-239 , un componente principal de las bombas atómicas . [24]
Fue esta última parte la que planteó nuevas preocupaciones. Si, como describió Thomson, se podía fabricar un dispositivo relativamente simple que pudiera producir plutonio, existía una obvia preocupación por la seguridad nuclear y dicho trabajo tendría que ser secreto. Ni Thomson ni Harwell estaban contentos con realizar 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 estaba buscando entrar 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 otro lado, creía que era demasiado pronto para comenzar el gran programa que Thomson estaba sugiriendo, y continuó retrasándolo. [25]
Casi al mismo tiempo, Cockcroft se enteró de un trabajo similar realizado independientemente por Peter Thonemann en Clarendon, lo que dio lugar a un pequeño programa teórico en Harwell para estudiarlo. 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 organizar el reactor como un betatrón , es decir, envolviendo el toro en un gran imán y utilizando su campo para inducir una corriente en el toro de una manera similar a un transformador eléctrico . Los betatrones tenían una limitación natural: el número de electrones en ellos estaba limitado debido a su autorepulsión, conocido como el límite de carga espacial . Algunos habían sugerido introducir un gas en la cámara; cuando se ionizara por los electrones acelerados, los iones sobrantes producirían una carga positiva que ayudaría a neutralizar la cámara en su conjunto. Los experimentos con este fin mostraron en cambio que las colisiones entre los electrones y los iones se dispersarían tan rápidamente que el número de electrones restantes sería en realidad menor que antes. Este efecto, sin embargo, era precisamente lo que se deseaba en un reactor de fusión, donde las colisiones calentarían los iones de deuterio. [25]
En un encuentro casual en Clarendon, Thonemann terminó describiendo su idea a Thomson. Thonemann no sabía que estaba hablando con Thomson, ni que Thomson estaba trabajando en ideas similares. Thomson siguió hablando con Skinner, quien apoyó firmemente el concepto de Thonemann frente al de Thomson. Skinner luego 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 arruinarían el confinamiento. Concluyó que sería "inútil hacer mucha más planificación" antes de estudiar más a fondo las cuestiones de inestabilidad. [26]
Fue en este punto cuando un curioso detalle legal entró en juego en los hechos. En febrero de 1948, la solicitud de patente original de Thompson no había sido concedida porque el Ministerio de Suministros no estaba seguro de sus intenciones de ceder los derechos. Blackman estaba enfermo de malaria en Sudáfrica y el asunto se pospuso durante un tiempo. Se volvió a plantear 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 era secreto, 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, dispuso rápidamente que Cockroft financiara el programa de desarrollo de Thompson. El programa fue aprobado en noviembre y la patente fue cedida al Ministerio a finales de año. [27]
Los trabajos de fusión en Harwell e Imperial se mantuvieron a 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 generalizada de casi todo lo relacionado con la energía nuclear. Esto incluía todo el trabajo relacionado con la fusión, ya que los temores previos sobre la posibilidad de utilizar la fusión como fuente de neutrones para producir plutonio ahora parecían un problema serio. Los planes anteriores para trasladar al equipo desde Imperial se pusieron en práctica de inmediato, y los laboratorios del AEI se instalaron en el antiguo Aldermaston y abrieron en abril. Este laboratorio pronto se convirtió en el Establecimiento de Investigación de Armas Atómicas . [29]
El segundo fue el anuncio en febrero de 1951 de que Argentina había logrado producir con éxito la fusión nuclear en su Proyecto Huemul . Los físicos de todo el mundo rápidamente lo descartaron como algo imposible, lo que se reveló como cierto 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 encontraron en condiciones de hablar con políticos de alto rango, quienes se mostraron bastante receptivos a aumentar sus presupuestos. En cuestión de semanas, los programas en los EE. UU., el Reino Unido y la URSS estaban experimentando una expansión espectacular. [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 fue dejado de lado. [31]