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Para el grupo de radioastronomía de los Países Bajos, consulte ASTRON .

El Astron es un tipo de dispositivo de energía de fusión iniciado por Nicholas Christofilos y construido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore durante las décadas de 1960 y 1970. Astron utilizó un sistema de confinamiento único que evitó varios de los problemas que se encuentran en los diseños contemporáneos como el stellarator y el espejo magnético.. El desarrollo se ralentizó en gran medida por una serie de cambios en el diseño que se realizaron con una supervisión limitada, lo que llevó a la creación de un comité de revisión para supervisar el desarrollo posterior. El Astron no pudo cumplir con las metas de desempeño establecidas por el comité; la financiación se canceló en 1972 y el desarrollo terminó en 1973. El trabajo en diseños similares parece haber demostrado un problema teórico en el diseño mismo que sugiere que nunca podría usarse para la generación práctica.

Historia [ editar ]

Enfoque fuerte [ editar ]

Christofilos es mejor conocido por inventar de forma independiente el concepto de enfoque fuerte , una característica utilizada en los aceleradores de partículas . Había comenzado a trabajar en este sentido a fines de la década de 1940 mientras dirigía una empresa de instalación de ascensores, [1] y en 1948 escribió una carta a lo que entonces era el Laboratorio de Radiación de la Universidad de California en Berkeley, en la que describía varias ideas sobre el enfoque de aceleradores. Cuando le devolvieron su carta señalando varios problemas, los resolvió y los volvió a escribir. Esta segunda carta fue ignorada. En 1950, Christofilos presentó una solicitud de patente, que fue concedida en 1956 como Patente de los Estados Unidos 2.736.799. [2]

Casi al mismo tiempo, Ernest Courant , Milton Stanley Livingston y Hartland Snyder del Laboratorio Nacional de Brookhaven estaban considerando el mismo problema e idearon la misma solución, escribiendo sobre él en la edición del 1 de diciembre de 1952 de Physical Review . [3] Cuando vio el periódico, Christofilos organizó un viaje a Estados Unidos, al que llegó dos meses después. Dirigiéndose a Brookhaven, los acusó airadamente de robar la idea de su patente. También se reunió con miembros de la Comisión de Energía Atómica y, después de reunirse con sus abogados, le pagaron $ 10,000 por la patente. [4]

Propuesta de Astron [ editar ]

Con la compra de la patente llegó algo de fama y dinero suficiente para que Christofilos pudiera ingresar al mundo de la física estadounidense. En abril de 1953 asistió a una reunión del Proyecto Sherwood y presentó otra idea en la que había estado trabajando en Grecia, el Astron. [5]

La idea básica era inyectar electrones de alta energía en un espejo magnético (el "tanque"). Los electrones serían capturados en el espejo y acumularían una capa de corriente cerca de la superficie exterior del volumen del tanque, que él llamó la "capa E". La capa E produciría en sí misma un poderoso campo magnético a medida que se acumulara, y una vez que la corriente alcanzara una densidad crítica, los campos se "invertían" y se doblaban en una nueva configuración de líneas cerradas que formaban un área de confinamiento continua. Una vez que la capa E se había formado con éxito, se inyectaba combustible de fusión en el área interior y se calentaba mediante interacciones con la capa E para llevarla a temperaturas de fusión. [6]

Esta disposición resolvió uno de los principales problemas con el concepto básico de espejo magnético, que tenía líneas de campo abierto en los extremos. El combustible podría seguir estas líneas directamente desde el reactor. Por tanto, los espejos filtraban plasma de forma natural , aunque los diseñadores creían que podían solucionar este problema haciendo funcionar las máquinas a temperaturas muy altas. En la práctica, la fuga resultó ser incluso mayor de lo que sugería la teoría básica, y nunca operó a los niveles que esperaban alcanzar. [7]

En ese momento, Sherwood todavía era un secreto, lo que presentó problemas cuando describió el concepto por primera vez. Antes de subir al escenario, las fórmulas de la sesión anterior en la pizarra habían sido borradas cuidadosamente. Mientras llenaba el pizarrón con sus propias ecuaciones, alguien amablemente le mostró los botones que lo elevarían y revelarían uno nuevo debajo. Este no se había borrado y dio lugar a un esfuerzo apresurado para evitar que se filtrara material sensible. Buscando evitar que se repitiera el evento, a Christofilos se le dio un trabajo en Brookhaven, donde podría continuar trabajando en la teoría de Astron. [8]

Prueba de astrón [ editar ]

En 1956, Christofilos finalmente recibió su autorización de seguridad e inmediatamente se trasladó a lo que ahora era el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) para comenzar a trabajar en el concepto Astron. Después de dos años, se había avanzado lo suficiente como para poder presentar la idea en la conferencia Atoms for Peace de 1958 en Ginebra, junto con un modelo del sistema que se proponían construir. Este constaba de dos partes principales, la botella magnética donde se mantendría el plasma y un acelerador de partículas que proporcionaba los electrones relativistas. [9]

A pesar de su éxito, Christofilos siempre fue un extraño en el laboratorio. Time informó que "todavía no tiene un título en física, y su acento griego, la volubilidad griega y el amor por la discusión apasionada lo mantienen un forastero". [10] Esto provocó fricciones dentro del establecimiento de la física y las primeras llamadas para la terminación del programa Astron. Una revisión de 1963 de todo el esfuerzo del Proyecto Sherwood llevó a pedidos formales de cancelación. Sin embargo, el programa tuvo patrocinadores dentro de la gestión del programa de fusión controlada, en particular Glenn Seaborg y John S. Foster., ambos con fuertes vínculos con LLNL. Foster, en particular, estaba preocupado por los grupos en Washington que dictaban el desarrollo de los laboratorios. Después de una discusión considerable, se decidió que se permitiría que el programa continuara, pero tendría que demostrar la inversión de campo para 1965. [11]

En 1963, el equipo había diseñado y construido un nuevo tipo de acelerador de inducción lineal con las propiedades requeridas. El diseño del acelerador generó interés como un arma de haz de partículas estudiado en el Proyecto Balancín. [12] Sin embargo, durante la construcción, el equipo se dio cuenta de que los electrones eran libres de viajar de regreso al área del acelerador. Christofilos resolvió esto introduciendo cables de resistencia que ralentizaban ligeramente los electrones después de ingresar al tanque, por lo que ya no poseían la energía necesaria para fluir de regreso. [13]

Después de algunos trabajos para solucionar errores, los primeros resultados se publicaron en junio de 1964. El acelerador funcionó, operando a 4 MeV y 120 amperios, y se confirmó una capa E estable, aunque generaba solo 2 A / cm de corriente, solo 0.05% del campo diamagnético requerido para invertir el campo. [14] El trabajo continuó para cumplir con la meta de 1965 de reversión, pero finalmente fracasó. Sin embargo, la capa de electrones se mantuvo estable, por lo que el comité Herb-Allison recomendó que continuara hasta el siguiente hito. [15]

Para 1967, esto se había mejorado al 6%, pero todavía estaba muy lejos de la capa E estable que el dispositivo necesitaba lograr. En 1968, Christofilos y T. Kenneth Fowler escribieron un informe pidiendo un acelerador más potente y mejoras para el tanque. [dieciséis]

Escrutinio [ editar ]

Los fondos para las mejoras finalmente se otorgaron, pero solo a costa de la supervisión directa de un Panel Ad Hoc creado por la AEC. En este punto, los diseños "convencionales", el estelarizador y el espejo magnético, habían estado trabajando durante mucho tiempo en plasmas del mundo real y estaban aumentando lentamente las presiones y temperaturas. Astron, por otro lado, todavía estaba muy lejos de construir su primera capa E útil, un requisito previo para los experimentos con plasma. [17]

El Panel Ad Hoc devolvió un informe negativo, quejándose de que se había puesto demasiado esfuerzo en cuestiones operativas como el rendimiento del acelerador, con poco o ningún esfuerzo en estudios teóricos sobre si el plasma alguna vez sería estable incluso si una capa E pudiera hacerlo. Ser formado. [18] Además, el panel señaló que nadie había estudiado seriamente si un Astron operativo y estable requeriría más energía para operar de la que liberaría. Esta fue una seria preocupación en Astron, porque sus electrones relativistas irradiarían grandes cantidades de energía debido a la radiación sincrotrón de electrones . [19]

Christofilos ya había considerado esto y sugirió que un diseño operativo usaría protones en lugar de electrones y no sufriría el mismo nivel de pérdidas de energía. Sin embargo, no existía tal acelerador en ese momento, y el panel se mostró muy escéptico de que fuera fácil de construir. [20]

Actualizar [ editar ]

Las actualizaciones de Astron continuaron y comenzaron a funcionar en 1969. Durante este período, siguiendo el consejo del Panel, las divisiones teóricas de LLNL comenzaron a considerar el concepto de manera mucho más seria. Al construir modelos informáticos del sistema, primero atacaron el problema del "apilamiento", que los pulsos individuales de electrones del acelerador no se acumulaban en la capa E como se esperaba. Bruce Langdon demostró que apilar simplemente no funcionaría. [21]

Sin embargo, una sugerencia de Fowler demostró salvar al Astron de este problema. Había notado que agregar un segundo campo magnético que recorre el centro del tanque reduciría la cantidad de campo externo necesario para crear la capa E. Christofilos siguió adelante con este cambio y comenzó a probar en 1971; esto demostró un rendimiento muy mejorado tanto con la reducción de la corriente como con el éxito en la captura de electrones. Esto también permitió que se apilaran dos pulsos, elevando el campo al 15% de fuerza diamagnética. [21]

Mientras Astron trabajaba con pulsos múltiples, un equipo de la Universidad de Cornell había estado trabajando en un diseño similar. Sin embargo, este Experimento Relativista de Bobina de Electrones (RECE) utilizó un solo pulso largo de electrones en lugar del concepto de apilamiento. A fines de 1971, anunciaron que habían logrado una inversión de campo completa. Christofilos no estaba impresionado; este diseño no sería útil para un generador de fusión de estado estable, solo agregando continuamente pulsos la máquina podría mantenerse. [22]

Cancelación [ editar ]

Frente a los continuos problemas con Astron, y la aparente facilidad con que el equipo de RECE había logrado alcanzar las metas que habían sugerido originalmente en 1968, un segundo Panel Ad Hoc publicó un informe mordaz. Entre los problemas, señalaron que el equipo de Astron había estado buscando "formas ingeniosas de evitar o sortear las dificultades en lugar de comprenderlas". [23] Roy Gould , jefe del programa de fusión controlada de la AEC, fue específico al permitir que el proyecto Astron continuara, pero solo si cumplía una serie de objetivos en una línea de tiempo específica. [24]

Cuando Robert Hirsch se hizo cargo del brazo de fusión controlado de AEC en 1972, instituyó una revisión amplia para clasificar los enfoques en estudio y eliminar la duplicación y los proyectos de bajo rendimiento. Dados los emocionantes resultados con el tokamak lanzado en 1968, Hirsch favoreció un programa con relativamente pocos proyectos, cada uno con presupuestos mucho mayores. [25] Muchos programas como Astron simplemente no parecían tener ningún beneficio a corto plazo, y Hirsch estaba ansioso por cancelarlos.

El 24 de septiembre de 1972, Christofilos se reunió con James Schlesinger de la AEC, pero no queda ningún registro de la reunión. Después de un largo día, fue a un Holiday Inn local para ahorrar un largo viaje a casa. Esa noche sufrió un infarto masivo y murió. [24]

Richard Briggs asumió la dirección del proyecto hasta su fecha de cierre prevista en junio de 1973. Bajo su dirección, Astron volvió a estudiar el nuevo campo estabilizador introducido por Fowler, y utilizando pulsos más grandes, el dispositivo alcanzó el 50% de fuerza diamagnética, mucho mayor que Esfuerzos de Christofilos con cadenas de pulsos. Su informe final declaró que "la acumulación de la capa E por inyección de pulsos múltiples generalmente no tuvo éxito" y señaló que en el momento del cierre todavía no entendían qué problema físico estaba limitando la acumulación. [26]

Después de Astron [ editar ]

Aunque Astron cerró, el trabajo continuó con RECE en Cornell durante algún tiempo. Como parte de su trabajo, el equipo intentó hacer el cambio de electrones a protones. Sin embargo, como algunos sospechaban, la "capa P" resultó difícil de construir y nunca se logró la inversión de campo con protones. La última versión de este esfuerzo, FIREX, se cerró en 2003, después de haber demostrado lo que parece ser una razón puramente teórica por la que el concepto Astron nunca funcionará. [27]

El anillo de electrones relativista también jugó un papel en el diseño del toro lleno de baches . Este fue otro intento de "tapar los extremos" de los espejos, uniendo varios espejos de extremo a extremo para formar un toro. Los electrones fueron impulsados ​​a altas energías no a través de inyección directa, sino de calentamiento de electrones-ciclotrón externo impulsado por microondas (ECH). [28]

Descripción [ editar ]

El dispositivo Astron constaba de dos secciones, el acelerador lineal y el espejo magnético "tanque". Estos fueron construidos en ángulos rectos, con la salida del acelerador disparando hacia el costado del tanque en un extremo. [29]

El tanque era un ejemplo relativamente simple del concepto de espejo magnético , que consistía principalmente en un solenoide largo con bobinados adicionales en ambos extremos para aumentar el campo magnético en esas regiones y formar el espejo. [30] En un espejo simple, los iones del plasma combustible se inyectaban en un ángulo para que no pudieran fluir simplemente por los extremos donde el campo era aproximadamente lineal. Sin embargo, había una región anular en cada extremo por donde podían escapar iones de la energía correcta, y varios cálculos demostraron que la tasa sería bastante alta.

Al inyectar electrones en el espejo antes del combustible, la capa E crearía un segundo campo magnético que haría que las áreas anulares se doblaran hacia el centro del tanque. El campo resultante tenía la forma de un tubo y era muy similar a la configuración de campo invertido o FRC. [30] La principal diferencia entre estos dispositivos es la forma en que se logra la inversión de campo; con la capa E en el Astron y por corrientes en el plasma para el FRC. Al igual que el espejo clásico, Astron inyectó los electrones en el espejo en un ligero ángulo para asegurarse de que circularan hacia el centro del espejo. [29]

Hoy en día, el Astron a menudo se considera una subclase del concepto FRC. [31]

Ver también [ editar ]

  • Lista de artículos sobre plasma (física)

Referencias [ editar ]

Citas [ editar ]

  1. ^ Coleman 2004 , p. 5.
  2. ^ Coleman 2004 , págs. 5-6.
  3. ^ Ernest Courant, M. Stanley Livingston y Hartland Snyder. "El sincrotrón de enfoque fuerte: un nuevo acelerador de alta energía",volumen de revisión física 88 (1952). pag. 1190.
  4. ^ Coleman 2004 , págs. 8-9.
  5. ^ Coleman 2004 , p. 9.
  6. ^ Bromberg , 1982 , p. 120.
  7. ^ Coleman 2004 , p. 11.
  8. ^ Coleman 2004 , págs. 11-12.
  9. ^ Coleman 2004 , págs. 15-16.
  10. ^ Bromberg , 1982 , p. 122.
  11. ^ Bromberg , 1982 , p. 123.
  12. ^ Coleman 2004 , p. 20.
  13. ^ Coleman 2004 , p. 19.
  14. ^ Coleman 2004 , p. 21.
  15. ^ Bromberg , 1982 , p. 202.
  16. ^ Coleman 2004 , págs. 22-23.
  17. ^ Coleman 2004 , págs. 26-27.
  18. ^ Bromberg , 1982 , p. 203.
  19. ^ Coleman 2004 , págs. 29-31.
  20. ^ Coleman 2004 , p. 32.
  21. ↑ a b Coleman , 2004 , p. 34.
  22. ^ Coleman 2004 , p. 35.
  23. ^ Coleman 2004 , p. 37.
  24. ↑ a b Coleman , 2004 , p. 40.
  25. ^ Coleman 2004 , p. 38.
  26. ^ Coleman 2004 , p. 42.
  27. ^ Coleman 2004 , p. 43.
  28. ^ Jim Cobble, "El experimento del toro lleno de baches impulsado por microondas" , Laboratorio Nacional de Los Alamos, 18 de agosto de 2011
  29. ↑ a b Coleman , 2004 , p. 52.
  30. ↑ a b Coleman , 2004 , p. 49.
  31. ^ Cornelis Marius Braams, Peter Stott, "Fusión nuclear: medio siglo de investigación de fusión por confinamiento magnético" , CRC Press, 2002, p. 106

Bibliografía [ editar ]

  • Bromberg, Joan Lisa (1982). Fusión: ciencia, política e invención de una nueva fuente de energía . MIT Press .
  • Coleman, Elisheva (4 de mayo de 2004). Fuego griego: Nicholas Christofilos y el proyecto Astron en el programa de fusión de Estados Unidos (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 7 de enero de 2017 . Consultado el 31 de octubre de 2011 .