ZETA (Fusionsreaktor) - ZETA (fusion reactor)

Das ZETA-Gerät bei Harwell, Großbritannien. Das ringförmige Begrenzungsrohr ist grob zentriert. Das größere Gerät rechts um die Röhre herum ist der Magnet, mit dem der Quetschstrom induziert wird.

ZETA , kurz für „Zero Energy Thermonuclear Assembly“, war ein großes Experiment in der Frühgeschichte der Fusionsenergieforschung . Basierend auf der Pinch- Plasma- Einschlusstechnik und gebaut im Atomic Energy Research Establishment im Vereinigten Königreich, war ZETA zu dieser Zeit größer und leistungsstärker als jede Fusionsmaschine der Welt. Sein Ziel war es, eine große Anzahl von Fusionsreaktionen zu erzeugen, obwohl es nicht groß genug war, um Nettoenergie zu erzeugen.

ZETA ging im August 1957 in Betrieb und gab Ende des Monats Ausbrüche von etwa einer Million Neutronen pro Puls ab. Messungen deuteten darauf hin, dass der Brennstoff zwischen 1 und 5 Millionen Kelvin erreichte , eine Temperatur, die Kernfusionsreaktionen auslösen würde, was die Menge der beobachteten Neutronen erklärt. Erste Ergebnisse wurden im September 1957 an die Presse durchgesickert, und im folgenden Januar wurde eine ausführliche Rezension veröffentlicht. Titelseitenartikel in Zeitungen auf der ganzen Welt verkündeten es als Durchbruch zu unbegrenzter Energie, einen wissenschaftlichen Fortschritt für Großbritannien, der größer war als der kürzlich eingeführte Sputnik für die Sowjetunion .

Auch US-amerikanische und sowjetische Experimente hatten ähnliche Neutronenausbrüche bei Temperaturen abgegeben, die für eine Fusion nicht hoch genug waren. Dies veranlasste Lyman Spitzer , seine Skepsis gegenüber den Ergebnissen auszudrücken, aber seine Kommentare wurden von britischen Beobachtern als Jargon abgetan . Weitere Experimente mit ZETA zeigten, dass die ursprünglichen Temperaturmessungen irreführend waren; die Massentemperatur war für Fusionsreaktionen zu niedrig, um die Anzahl der beobachteten Neutronen zu erzeugen. Die Behauptung, ZETA habe Fusion produziert, musste öffentlich zurückgezogen werden, ein peinliches Ereignis, das die gesamte Fusionsanstalt erschauderte. Die Neutronen wurden später als das Produkt von Instabilitäten im Brennstoff erklärt. Diese Instabilitäten schienen jedem ähnlichen Design inhärent zu sein, und die Arbeit am grundlegenden Pinch-Konzept als Weg zur Fusionsenergie endete 1961.

Trotz des Scheiterns von ZETA, eine Fusion zu erreichen, hatte das Gerät eine lange experimentelle Lebensdauer und brachte zahlreiche wichtige Fortschritte auf diesem Gebiet. In einer Entwicklungslinie wurde der Einsatz von Lasern zur genaueren Messung der Temperatur auf ZETA getestet und später verwendet, um die Ergebnisse des sowjetischen Tokamak- Ansatzes zu bestätigen . In einem anderen Fall wurde bei der Untersuchung von ZETA-Testläufen festgestellt, dass sich das Plasma nach dem Ausschalten selbst stabilisierte. Dies hat zu dem modernen Reverse-Field-Pinch- Konzept geführt. Allgemeiner gesagt haben Untersuchungen der Instabilitäten in ZETA zu mehreren wichtigen theoretischen Fortschritten geführt, die die Grundlage der modernen Plasmatheorie bilden.

Konzeptionelle Entwicklung

Das grundlegende Verständnis der Kernfusion wurde in den 1920er Jahren entwickelt, als Physiker die neue Wissenschaft der Quantenmechanik erforschten . George Gamows Erforschung des Quantentunnelns im Jahr 1928 zeigte, dass Kernreaktionen bei niedrigeren Energien ablaufen konnten, als die klassische Theorie vorhersagte. Mit dieser Theorie zeigten Fritz Houtermans und Robert Atkinson 1929 , dass die erwarteten Reaktionsgeschwindigkeiten im Kern der Sonne Arthur Eddingtons Vermutung von 1920 unterstützten, dass die Sonne durch Fusion angetrieben wird .

1934 erreichten Mark Oliphant , Paul Harteck und Ernest Rutherford als erste die Fusion auf der Erde, indem sie mit einem Teilchenbeschleuniger Deuteriumkerne in eine Metallfolie mit Deuterium, Lithium oder anderen Elementen schossen . Dadurch konnten sie den Kernquerschnitt verschiedener Fusionsreaktionen messen und stellten fest, dass die Deuterium-Deuterium-Reaktion bei einer niedrigeren Energie ablief als andere Reaktionen, mit einem Spitzenwert von etwa 100.000  Elektronenvolt (100 keV).

Diese Energie entspricht der durchschnittlichen Energie von Teilchen in einem auf Tausende von Millionen Kelvin erhitzten Gas. Materialien, die über einige Zehntausend Kelvin erhitzt werden, dissoziieren in ihre Elektronen und Kerne und erzeugen einen gasähnlichen Aggregatzustand , der als Plasma bekannt ist . In jedem Gas haben die Teilchen einen weiten Energiebereich, der normalerweise der Maxwell-Boltzmann-Statistik folgt . In einer solchen Mischung hat eine kleine Anzahl von Teilchen eine viel höhere Energie als die Masse.

Dies führt zu einer interessanten Möglichkeit; selbst bei Temperaturen weit unter 100.000 eV haben einige Teilchen zufällig genug Energie, um zu fusionieren. Diese Reaktionen setzen riesige Mengen an Energie frei. Wenn diese Energie wieder in das Plasma eingefangen werden kann, kann es auch andere Teilchen auf diese Energie erhitzen, wodurch die Reaktion selbsterhaltend wird. 1944 berechnete Enrico Fermi , dass dies bei etwa 50.000.000 K der Fall sein würde.

Gefangenschaft

Eine moderne Induktionslampe ist eine Niedertemperaturversion einer ringförmigen Plasmaröhre. Bei diesen Temperaturen kann das Plasma unbeschadet auf die Rohrwände treffen; eine weitere Unterbringung ist nicht erforderlich.

Das Ausnutzen dieser Möglichkeit erfordert, dass das Brennstoffplasma lange genug zusammengehalten wird, damit diese Zufallsreaktionen Zeit zum Auftreten haben. Wie jedes Heißgas besitzt das Plasma einen Innendruck und neigt somit entsprechend die erweitern ideale Gasgesetz . Bei einem Fusionsreaktor besteht das Problem darin, das eingeschlossene Plasma gegen diesen Druck zu halten; jeder bekannte physikalische Behälter würde bei diesen Temperaturen schmelzen.

Ein Plasma ist elektrisch leitfähig und unterliegt elektrischen und magnetischen Feldern. In einem Magnetfeld umkreisen die Elektronen und Kerne die magnetischen Feldlinien. Ein einfaches Einschlusssystem ist ein plasmagefülltes Rohr, das im offenen Kern eines Solenoids platziert wird . Das Plasma möchte sich natürlicherweise nach außen zu den Wänden der Röhre ausdehnen und sich entlang dieser zu den Enden bewegen. Das Solenoid erzeugt ein Magnetfeld, das in der Mitte der Röhre verläuft, das die Partikel umkreisen und ihre Bewegung zu den Seiten verhindern. Leider beschränkt diese Anordnung das Plasma nicht entlang der Länge des Rohres, und das Plasma kann frei aus den Enden herausfließen.

Die offensichtliche Lösung für dieses Problem besteht darin, das Rohr zu einem Torus (einer Ring- oder Donutform) zu biegen . Die Bewegung zu den Seiten bleibt wie zuvor eingeschränkt, und während sich die Partikel frei entlang der Linien bewegen können, zirkulieren sie in diesem Fall einfach um die Längsachse der Röhre. Aber, wie Fermi betonte, wenn das Solenoid zu einem Ring gebogen wird, wären die elektrischen Wicklungen innen näher als außen. Dies würde zu einem ungleichmäßigen Feld über das Rohr führen und der Kraftstoff wird langsam aus der Mitte herausdriften. Um dieser Drift entgegenzuwirken, ist eine zusätzliche Kraft erforderlich, die für eine langfristige Beschränkung sorgt.

Pinch-Konzept

Dieser Blitzableiter wurde zerquetscht, als ein großer Strom durch ihn floss. Die Untersuchung dieses Phänomens führte zur Entdeckung des Pinch-Effekts .

Eine mögliche Lösung für das Einschließungsproblem wurde 1934 von Willard Harrison Bennett detailliert beschrieben . Jeder elektrische Strom erzeugt ein magnetisches Feld , und aufgrund der Lorentzkraft verursacht dies eine nach innen gerichtete Kraft. Dies wurde zuerst bei Blitzableitern bemerkt . Bennett zeigte, dass der gleiche Effekt dazu führen würde, dass ein Strom ein Plasma in eine dünne Säule "selbstfokussiert". Ein zweiter Aufsatz von Lewi Tonks aus dem Jahr 1937 befasste sich erneut mit dem Thema und führte den Namen „ Pinch-Effekt “ ein. Es folgte ein Papier von Tonks und William Allis .

Das Anlegen eines Pinch-Stroms in einem Plasma kann verwendet werden, um der Expansion entgegenzuwirken und das Plasma einzuschließen. Eine einfache Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Plasma in eine lineare Röhre zu geben und mit Elektroden an beiden Enden einen Strom durch sie zu leiten, wie eine Leuchtstofflampe . Diese Anordnung erzeugt immer noch keinen Einschluss entlang der Länge des Rohres, so dass das Plasma auf die Elektroden strömt und diese schnell erodiert. Dies ist für eine rein experimentelle Maschine kein Problem, und es gibt Möglichkeiten, die Rate zu reduzieren. Eine andere Lösung besteht darin, einen Magneten neben das Rohr zu legen; Wenn sich das Magnetfeld ändert, wird durch die Fluktuationen ein elektrischer Strom im Plasma induziert . Der große Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass sich innerhalb der Röhre keine physischen Objekte befinden, so dass sie zu einem Torus geformt werden kann und das Plasma frei zirkulieren lässt.

Das Konzept der toroidalen Pinch als Weg zur Fusion wurde Mitte der 1940er Jahre in Großbritannien erforscht, insbesondere von George Paget Thomson vom Imperial College London . Mit der Gründung des Atomic Energy Research Establishment (AERE) in Harwell, Oxfordshire , im Jahr 1945 bat Thomson wiederholt den Direktor John Cockcroft um Gelder für die Entwicklung einer experimentellen Maschine. Diese Anträge wurden abgelehnt. Zu dieser Zeit gab es keine offensichtliche militärische Nutzung, so dass das Konzept nicht klassifiziert wurde . Dies ermöglichte es Thomson und Moses Blackman , 1946 ein Patent auf die Idee anzumelden und ein Gerät zu beschreiben, das gerade genug Pinch-Strom verwendet, um das Plasma zu ionisieren und kurz einzuschließen, während es von einer Mikrowellenquelle erhitzt wird , die auch den Strom kontinuierlich treibt.

Als praktische Vorrichtung besteht zusätzlich die Anforderung, dass die Reaktionsbedingungen lange genug andauern, um eine angemessene Menge des Brennstoffs zu verbrennen. Im ursprünglichen Design von Thomson und Blackman war es die Aufgabe der Mikrowelleninjektion, die Elektronen anzutreiben, um den Strom aufrechtzuerhalten und Quetschungen zu erzeugen, die in der Größenordnung von einer Minute anhielten, wodurch das Plasma 500 Millionen K erreichen konnte. Der Strom im Plasma auch erhitzt; wenn der Strom auch als Wärmequelle verwendet wurde, war die einzige Begrenzung der Erwärmung die Leistung des Impulses. Dies führte zu einem neuen Reaktordesign, bei dem das System in kurzen, aber sehr starken Impulsen arbeitete. Eine solche Maschine würde eine sehr große Stromversorgung erfordern.

Erste Maschinen

Im Jahr 1947 arrangierte Cockcroft ein Treffen mehrerer Harwell-Physiker, um Thomsons neueste Konzepte zu studieren, darunter Harwells Direktor für theoretische Physik, Klaus Fuchs . Thomsons Konzepte wurden vor allem von Fuchs schlecht aufgenommen. Als auch diese Präsentation nicht finanziert wurde, gab Thomson seine Konzepte an zwei Doktoranden von Imperial, Stan Cousins ​​und Alan Ware, weiter. Er fügte einen Bericht über eine Art von toroidalen Teilchenbeschleuniger hinzu, die als "Wirbelrohr" bekannt ist und in Deutschland von Max Steenbeck entwickelt wurde . Das Wirbelrohr bestand aus einem Transformator mit einer torusförmigen Vakuumröhre als Sekundärspule, ähnlich dem Konzept der ringförmigen Quetschvorrichtungen.

Später in diesem Jahr baute Ware eine kleine Maschine aus alten Radargeräten und war in der Lage, starke Ströme zu induzieren. Als sie es taten, gab das Plasma Lichtblitze ab, aber er konnte keine Möglichkeit finden, die Temperatur des Plasmas zu messen. Thomson übte weiterhin Druck auf die Regierung aus, ihm zu erlauben, ein Gerät in Originalgröße zu bauen, und setzte seine beträchtliche politische Währung ein , um für die Schaffung einer speziellen Experimentierstation im Labor der Associated Electrical Industries (AEI) zu argumentieren , die kürzlich in Aldermaston gebaut worden war .

Ware diskutierte die Experimente mit allen Interessierten, darunter Jim Tuck vom Clarendon Laboratory an der Oxford University . Während der Arbeit in Los Alamos während des Krieges hatten Tuck und Stanislaw Ulam ein erfolgloses Fusionssystem mit Hohlladungssprengstoffen gebaut , aber es funktionierte nicht. Zu Tuck gesellte sich der Australier Peter Thonemann , der an der Fusionstheorie gearbeitet hatte, und die beiden arrangierten über Clarendon die Finanzierung, um ein kleines Gerät wie das bei Imperial zu bauen. Aber bevor diese Arbeit begann, wurde Tuck eine Stelle in den USA angeboten und kehrte schließlich nach Los Alamos zurück.

Thonemann arbeitete weiter an der Idee und begann ein rigoroses Programm zur Erforschung der grundlegenden Physik von Plasmen in einem Magnetfeld. Ausgehend von linearen Röhren und Quecksilbergas stellte er fest, dass sich der Strom durch das Plasma nach außen ausdehnte, bis er die Wände des Behälters berührte (siehe Skin-Effekt ). Dem begegnete er mit kleinen Elektromagneten außerhalb der Röhre, die gegen den Strom zurückdrängten und ihn zentriert hielten. 1949 wechselte er von den Glasröhren zu einem größeren Kupfertorus, in dem er ein stabiles Quetschplasma nachweisen konnte. Frederick Lindemann und Cockcroft besuchten sie und waren gebührend beeindruckt.

Cockcroft bat Herbert Skinner , die Konzepte zu überprüfen, was er im April 1948 tat. Er war skeptisch gegenüber Thomsons Ideen zur Erzeugung eines Stroms im Plasma und dachte, Thonemanns Ideen schienen wahrscheinlicher zu funktionieren. Er wies auch darauf hin, dass das Verhalten von Plasmen in einem Magnetfeld nicht gut verstanden sei und dass "es sinnlos ist, noch viel weitere Planungen vorzunehmen, bevor diese Zweifel ausgeräumt sind".

Währenddessen machte Tuck in Los Alamos die US-Forscher mit den britischen Bemühungen vertraut. Anfang 1951 stellte Lyman Spitzer sein Stellarator- Konzept vor und kaufte die Idee rund um das Atom-Establishment auf der Suche nach Finanzierung. Tuck stand Spitzers Enthusiasmus skeptisch gegenüber und empfand sein Entwicklungsprogramm als "unglaublich ambitioniert". Er schlug ein viel weniger aggressives Programm vor, das auf Prise basiert. Beide Männer präsentierten ihre Ideen im Mai 1951 in Washington, was dazu führte, dass die Atomenergiekommission Spitzer 50.000 US-Dollar zahlte. Tuck überzeugte Norris Bradbury , den Direktor von Los Alamos, ihm 50.000 US-Dollar aus dem Ermessensbudget zur Verfügung zu stellen, um damit das Maybeatron zu bauen .

Erste Ergebnisse

Ein Foto der Knickinstabilität in einem frühen Experiment bei Aldermaston. Das dunkle Rechteck rechts ist der Induktionsmagnet.

1950 gab Fuchs zu, britische und amerikanische Atomgeheimnisse an die UdSSR weitergegeben zu haben. Da Fusionsanlagen hochenergetische Neutronen erzeugten, die zur Anreicherung von Kernbrennstoff für Bomben verwendet werden könnten, klassifizierte das Vereinigte Königreich sofort seine gesamte Fusionsforschung. Dadurch konnten die Teams nicht mehr im offenen Umfeld der Universitäten arbeiten. Das Imperial-Team unter Ware wechselte in die AEI-Labors in Aldermaston und das Oxford-Team unter Thonemann nach Harwell.

Anfang 1952 waren zahlreiche Quetschvorrichtungen in Betrieb; Cousins ​​und Ware hatten mehrere Nachfolgemaschinen unter dem Namen Sceptre gebaut, und das Harwell-Team hatte eine Reihe von immer größeren Maschinen gebaut, die als Mark I bis Mark IV bekannt waren. In den USA baute Tuck im Januar 1952 sein Maybeatron . Später wurde bekannt, dass Fuchs die britischen Arbeiten an die Sowjets weitergegeben hatte und dass sie auch ein Fusionsprogramm gestartet hatten.

Allen diesen Gruppen war klar, dass mit den Pinch-Maschinen etwas nicht stimmte. Beim Anlegen des Stroms wurde die Plasmasäule in der Vakuumröhre instabil und zerbrach, wodurch die Kompression zerstört wurde. Weitere Arbeiten identifizierten zwei Arten von Instabilitäten mit den Spitznamen "Knick" und "Wurst". Im Knick würde sich das normalerweise toroidförmige Plasma zu den Seiten biegen und schließlich die Ränder des Gefäßes berühren. In der Wurst würde sich das Plasma an Stellen entlang der Plasmasäule einschnüren, um ein Muster ähnlich einer Wurstkette zu bilden.

Untersuchungen zeigten, dass beide durch den gleichen zugrunde liegenden Mechanismus verursacht wurden. Wenn der Pinch-Strom angelegt wurde, würde jeder Bereich des Gases mit einer etwas höheren Dichte ein etwas stärkeres Magnetfeld erzeugen und schneller kollabieren als das umgebende Gas. Dies führte dazu, dass der lokalisierte Bereich eine höhere Dichte aufwies, was zu einem noch stärkeren Kneifen führte und eine außer Kontrolle geratene Reaktion folgte. Der schnelle Zusammenbruch in einem einzigen Bereich würde dazu führen, dass die gesamte Säule aufbricht.

Stabilisiertes Kneifen

Um das Grundkonzept der stabilisierten Quetschung zu testen, wurden dem früheren Mark 2 Torus zusätzliche Magnete hinzugefügt, hier als die um die Vakuumkammer gewickelten Drähte zu sehen.

Frühe Studien des Phänomens schlugen eine Lösung des Problems vor, die Kompressionsrate zu erhöhen. Bei diesem Ansatz würde die Kompression so schnell gestartet und gestoppt, dass der Großteil des Plasmas keine Zeit hätte, sich zu bewegen; stattdessen wäre eine durch diese schnelle Kompression erzeugte Stoßwelle für die Kompression des Großteils des Plasmas verantwortlich. Dieser Ansatz wurde als schneller Pinch bekannt . Das Team von Los Alamos, das an der Columbus-Linearmaschine arbeitet, hat eine aktualisierte Version entwickelt, um diese Theorie zu testen.

Andere suchten nach Wegen, das Plasma während der Kompression zu stabilisieren, und bis 1953 waren zwei Konzepte in den Vordergrund gerückt. Eine Lösung bestand darin, die Vakuumröhre in ein dünnes, aber hochleitfähiges Metallblech zu wickeln. Würde sich die Plasmasäule in Bewegung setzen, würde der Strom im Plasma im Blech ein Magnetfeld induzieren, das nach dem Lenz'schen Gesetz gegen das Plasma zurückstoßen würde. Dies war am effektivsten gegen große, langsame Bewegungen, wie zum Beispiel, dass der gesamte Plasmatorus in der Kammer driftete.

Die zweite Lösung verwendete zusätzliche Elektromagnete, die um die Vakuumröhre gewickelt waren. Die Magnetfelder dieser Magnete vermischten sich mit dem durch den Strom im Plasma erzeugten Pinch-Feld. Das Ergebnis war, dass die Bahnen der Partikel innerhalb der Plasmaröhre nicht mehr rein kreisförmig um den Torus herum verlaufen, sondern wie die Streifen an einer Barbierstange verdreht sind . In den USA war dieses Konzept dafür bekannt, dem Plasma ein "Rückgrat" zu geben, das kleine, lokalisierte Instabilitäten unterdrückt. Berechnungen zeigten, dass diese stabilisierte Prise die Haftzeiten dramatisch verbessern würde, und die älteren Konzepte "schienen plötzlich veraltet".

Marshall Rosenbluth , kürzlich in Los Alamos angekommen, begann eine detaillierte theoretische Studie über das Konzept der Prise. Zusammen mit seiner Frau Arianna und Richard Garwin entwickelte er die 1954 veröffentlichte "Motortheorie" oder "M-Theorie". Die Theorie sagte voraus, dass die Heizwirkung des elektrischen Stroms mit der Kraft des elektrischen Feldes stark verstärkt wurde. Dies deutete darauf hin, dass das Konzept des schnellen Pinchs mit größerer Wahrscheinlichkeit erfolgreich sein würde, da es einfacher war, größere Ströme in diesen Geräten zu erzeugen. Als er die Idee der Stabilisierung von Magneten in die Theorie einbezog, tauchte ein zweites Phänomen auf; für einen bestimmten und engen Satz von Bedingungen basierend auf der physikalischen Größe des Reaktors, der Kraft der stabilisierenden Magnete und der Menge an Quetschung schienen Toroidmaschinen von Natur aus stabil zu sein.

ZETA beginnt mit dem Bau

Elizabeth II. , geleitet von UKAEA-Forschungsdirektor John Cockcroft , besucht den im Bau befindlichen ZETA-Fusionsreaktor. Der Hauptinduktionsmagnet dominiert die linke Seite des Bildes, die toroidale Vakuumkammer ist noch nicht installiert.

US-Forscher planten, sowohl schnelles Pinch als auch stabilisiertes Pinch zu testen, indem sie ihre bestehenden kleinen Maschinen modifizierten. In Großbritannien drängte Thomson erneut auf die Finanzierung einer größeren Maschine. Dieses Mal wurde er viel herzlicher aufgenommen, und Ende 1954 wurde eine Anfangsfinanzierung von 200.000 £ bereitgestellt. Die Designarbeiten wurden 1955 fortgesetzt, und im Juli erhielt das Projekt den Namen ZETA. Der Begriff "Nullenergie" war in der Industrie bereits weit verbreitet, um kleine Forschungsreaktoren wie ZEEP zu bezeichnen , die eine ähnliche Rolle wie ZETAs Ziel hatten, Reaktionen zu erzeugen, ohne Nettoenergie freizusetzen.

Das ZETA-Design wurde Anfang 1956 fertiggestellt. Metropolitan-Vickers wurde beauftragt, die Maschine zu bauen, die einen 150-Tonnen- Impulstransformator enthielt , den größten, der bis dahin in Großbritannien gebaut wurde. Ein ernstes Problem entstand, als die benötigten hochfesten Stähle für die elektrischen Komponenten knapp wurden, aber ein Streik in der US-Elektroindustrie verursachte eine plötzliche Materialschwemme, die das Problem löste.

ZETA war zum Zeitpunkt seiner Konstruktion das größte und leistungsstärkste Fusionsgerät der Welt. Sein Aluminiumtorus hatte eine Innenbohrung von 1 Meter (3 ft 3 in) und einen großen Radius von 1,6 Metern (5 ft 3 in), mehr als dreimal so groß wie jede bisher gebaute Maschine. Es war auch das leistungsstärkste Design mit einem Induktionsmagneten, der Ströme von bis zu 100.000 Ampere (Ampere) in das Plasma induzieren konnte. Spätere Änderungen am Design erhöhten dies auf 200.000 Ampere. Es umfasste beide Arten der Stabilisierung; seine Aluminiumwände fungierten als Metallschild, und eine Reihe von Sekundärmagneten umringte den Torus. In den Lücken zwischen den Ringmagneten angebrachte Fenster ermöglichten eine direkte Inspektion des Plasmas.

Im Juli 1954 wurde die AERE in die United Kingdom Atomic Energy Authority (UKAEA) umorganisiert . In diesem Jahr begannen Modifikationen an Harwells Hangar 7, um die Maschine unterzubringen. Trotz seines fortschrittlichen Designs war der Preis bescheiden: etwa 1 Million US-Dollar. Ende 1956 war klar, dass ZETA Mitte 1957 online gehen würde und den Stellarator Model C und die neuesten Versionen von Maybeatron und Columbus schlagen würde. Da diese Projekte geheim waren, kam die Presse aufgrund der wenigen verfügbaren Informationen zu dem Schluss, dass es sich um Versionen desselben konzeptionellen Geräts handelte und dass die Briten im Rennen um die Herstellung einer funktionierenden Maschine weit vorne waren.

Sowjetischer Besuch und der Drang zur Freigabe

Chruschtschow (ungefähr mittig, kahlköpfig), Kurtschatow (rechts, bärtig) und Bulganin (rechts, weißhaarig) besuchten Harwell am 26. April 1956. Cockcroft steht ihnen gegenüber (mit Brille), während ein Moderator auf Mockups verschiedener Materialien, die im neu eröffneten DIDO-Reaktor getestet werden .

Ab 1953 konzentrierten sich die USA zunehmend auf das schnelle Pinch-Konzept. Einige dieser Maschinen hatten Neutronen produziert, und diese wurden zunächst mit der Fusion in Verbindung gebracht. Die Aufregung war so groß, dass schnell auch einige andere Forscher ins Feld traten. Unter diesen war Stirling Colgate , aber seine Experimente führten ihn schnell zu dem Schluss, dass keine Fusion stattfand. Nach Spitzers spezifischem Widerstand kann die Temperatur des Plasmas aus dem durchfließenden Strom bestimmt werden. Als Colgate die Berechnung durchführte, lagen die Temperaturen im Plasma weit unter den Anforderungen für die Fusion.

In diesem Fall musste ein anderer Effekt die Neutronen erzeugen. Weitere Arbeiten zeigten, dass diese auf Instabilitäten des Kraftstoffs zurückzuführen waren. Die lokalisierten Bereiche mit hohem Magnetfeld fungierten als winzige Teilchenbeschleuniger und verursachten Reaktionen, bei denen Neutronen ausgestoßen wurden. Modifikationen, die versuchten, diese Instabilitäten zu reduzieren, konnten die Situation nicht verbessern, und bis 1956 wurde das Konzept der schnellen Klemmung weitgehend aufgegeben. Die US-Labors begannen, ihre Aufmerksamkeit auf das stabilisierte Pinch-Konzept zu richten, aber zu diesem Zeitpunkt war ZETA fast fertig und die USA lagen weit zurück.

1956, als sie einen viel beachteten Staatsbesuch von Nikita Chruschtschow und Nikolai Bulganin in Großbritannien planten , erhielten die Harwell-Forscher das Angebot des sowjetischen Wissenschaftlers Igor Kurchatov , einen Vortrag zu halten. Sie waren überrascht, als er seinen Vortrag über "die Möglichkeit der Erzeugung thermonuklearer Reaktionen in einer Gasentladung" begann. Kurchatovs Rede enthüllte die sowjetischen Bemühungen, schnelle Pinch-Geräte ähnlich den amerikanischen Designs herzustellen, und ihre Probleme mit Instabilitäten in den Plasmas. Kurchatov bemerkte, dass sie auch Neutronen freigesetzt hatten und zunächst geglaubt hatten, dass sie von der Fusion stammten. Aber als sie die Zahlen untersuchten, wurde klar, dass das Plasma nicht heiß genug war und sie kamen zu dem Schluss, dass die Neutronen von anderen Wechselwirkungen stammten.

Kurtschatows Rede machte deutlich, dass alle drei Länder an den gleichen Grundkonzepten arbeiteten und alle auf die gleichen Probleme gestoßen waren. Cockcroft verpasste Kurchatovs Besuch, weil er in die USA gereist war, um auf die Freigabe der Fusionsarbeiten zu drängen, um diese Doppelarbeit zu vermeiden. Auf beiden Seiten des Atlantiks war die Überzeugung weit verbreitet, dass der Austausch ihrer Ergebnisse den Fortschritt erheblich verbessern würde. Nun, da bekannt wurde, dass die Sowjets sich auf dem gleichen grundlegenden Entwicklungsstand befanden und daran interessiert waren, öffentlich darüber zu sprechen, begannen die USA und Großbritannien darüber nachzudenken, auch viele ihrer Informationen herauszugeben. Dies entwickelte sich zu einer breiteren Anstrengung, die gesamte Fusionsforschung auf der zweiten Atoms for Peace- Konferenz in Genf im September 1958 freizugeben .

Im Juni 1957 schlossen das Vereinigte Königreich und die USA ihre Vereinbarung zur gegenseitigen Weitergabe von Daten irgendwann vor der Konferenz ab, an der sowohl das Vereinigte Königreich als auch die USA "in Kraft" teilnehmen wollten. Die endgültigen Bedingungen wurden am 27. November 1957 erreicht, die Projekte zur gegenseitigen Prüfung geöffnet und eine breite öffentliche Veröffentlichung aller Daten im Januar 1958 gefordert.

Vielversprechende Ergebnisse

An der Bedienstation wird ein "Schuss" mit Deuterium vorbereitet. Peter Thonemann steht im Vordergrund. Der Reaktor ist durch das Fenster zu sehen.

ZETA nahm Mitte August 1957 den Betrieb zunächst mit Wasserstoff auf. Diese Durchläufe zeigten, dass ZETA nicht unter den gleichen Stabilitätsproblemen litt wie frühere Pinch-Maschinen, und ihre Plasmas dauerten Millisekunden, anstatt Mikrosekunden, eine Verbesserung um ganze drei Größenordnungen . Die Länge der Pulse ermöglichte die Messung der Plasmatemperatur mit spektrographischen Mitteln; obwohl das emittierte Licht breitbandig war, führte die Dopplerverschiebung der Spektrallinien leichter Verunreinigungen im Gas (insbesondere Sauerstoff) zu berechenbaren Temperaturen.

Schon in frühen Versuchsdurchläufen begann das Team, Deuteriumgas in die Mischung einzuführen und den Strom auf 200.000 Ampere zu erhöhen. Am Abend des 30. August produzierte die Maschine riesige Neutronenzahlen in der Größenordnung von einer Million pro experimentellem Puls oder "Schuss". Es folgte ein Versuch, die Ergebnisse zu duplizieren und mögliche Messfehler zu eliminieren.

Viel hing von der Temperatur des Plasmas ab; wenn die Temperatur niedrig wäre, wären die Neutronen nicht fusionsbezogen. Spektrographische Messungen ergaben Plasmatemperaturen zwischen 1 und 5 Millionen K; bei diesen Temperaturen lag die vorhergesagte Fusionsrate innerhalb eines Faktors von zwei der Anzahl der beobachteten Neutronen. Es schien, dass ZETA das lang ersehnte Ziel erreicht hatte, eine kleine Anzahl von Fusionsreaktionen zu erzeugen, wie es beabsichtigt war.

Die US-amerikanischen Bemühungen hatten eine Reihe kleinerer technischer Rückschläge erlitten, die ihre Experimente um etwa ein Jahr verzögerten; sowohl das neue Maybeatron S-3 als auch Columbus II nahmen ihren Betrieb erst ungefähr zur gleichen Zeit wie ZETA auf, obwohl es sich um viel kleinere Experimente handelte. Als diese Experimente Mitte 1957 online gingen, begannen jedoch auch sie, Neutronen zu erzeugen. Im September erschienen sowohl diese Maschinen als auch ein neues Design, DCX im Oak Ridge National Laboratory , so vielversprechend, dass Edward Gardner Folgendes berichtete:

…es besteht die eindeutige Möglichkeit, dass entweder die Maschine in Oak Ridge oder die in Los Alamos bis Januar 1958 die Produktion thermonuklearer Neutronen bestätigt haben wird.

Prestigepolitik

ZETA von oben gesehen Ende 1957

Die Nachricht war zu gut, um sie in Flaschen aufzubewahren. Im September traten verlockende Lecks auf. Im Oktober deuteten Thonemann, Cockcroft und William P. Thompson an, dass interessante Ergebnisse folgen würden. Im November stellte ein UKAEA-Sprecher fest: "Die Hinweise deuten darauf hin, dass die Fusion erreicht wurde". Basierend auf diesen Hinweisen widmete die Financial Times dem Thema einen ganzen zweispaltigen Artikel. Bis Anfang 1958 veröffentlichte die britische Presse durchschnittlich zwei Artikel pro Woche über ZETA. Sogar die US-Zeitungen nahmen die Geschichte auf; Am 17. November berichtete die New York Times über die Erfolgsspuren.

Obwohl die Briten und die USA vereinbart hatten, ihre Daten vollständig zu veröffentlichen, beschloss der Gesamtdirektor des US-Programms, Lewis Strauss , zu diesem Zeitpunkt , die Veröffentlichung zurückzuhalten. Tuck argumentierte, dass das Feld so vielversprechend aussehe, dass es verfrüht wäre, Daten zu veröffentlichen, bevor die Forscher wussten, dass definitiv eine Fusion stattfindet. Strauss stimmte zu und kündigte an, ihre Daten für eine gewisse Zeit zurückzuhalten, um ihre Ergebnisse zu überprüfen.

Als die Angelegenheit in der Presse bekannter wurde, wurde die Veröffentlichungsfrage am 26. November im Unterhaus zur Sprache gebracht . Auf eine Frage der Opposition hin gab der Vorsitzende des Hauses die Ergebnisse öffentlich bekannt und begründete gleichzeitig die Verzögerung der Veröffentlichung aufgrund des britisch-amerikanischen Abkommens. Die britische Presse interpretierte dies anders und behauptete, die USA zögerten, weil sie die britischen Ergebnisse nicht reproduzieren konnten.

Die Dinge spitzten sich am 12. Dezember zu, als ein ehemaliger Parlamentsabgeordneter, Anthony Nutting , einen Artikel der New York Herald Tribune schrieb, in dem er behauptete:

Einige Leute haben mir düster vorgeschlagen, dass der wahre Grund für diese amerikanische Zurückhaltung gegenüber der Veröffentlichung dieser bedeutsamen Nachricht die Politik ist. Sie weisen auf den Prestigeverlust hin, den die Regierung erleiden würde, wenn sie zugeben müsste, dass sowohl Großbritannien als auch Russland Amerika in der wissenschaftlichen Entwicklung voraus waren. Ich ziehe es vor, zu glauben, dass diese Haltung aus einer sklavischen und fehlgeleiteten Anwendung von Sicherheit stammt. Aber was auch immer der Grund sein mag, es zeigt ein beklagenswertes Missverständnis in Washington über die wahre Bedeutung der westlichen Partnerschaft und die wahre Natur der sowjetischen Bedrohung.

Der Artikel führte zu einer Flut von Aktivitäten in der Macmillan-Administration . Nachdem sie ursprünglich geplant hatten, ihre Ergebnisse auf einer geplanten Sitzung der Royal Society zu veröffentlichen , gab es große Bedenken, ob die Amerikaner und die Sowjets eingeladen werden sollten, zumal sie glaubten, die Amerikaner würden sich sehr ärgern, wenn die Sowjets eintreffen würden, aber genauso aufgebracht, wenn waren nicht eingeladen und die Veranstaltung war rein britisch. Die Affäre führte schließlich dazu, dass die UKAEA öffentlich bekannt gab, dass die USA die ZETA-Ergebnisse nicht zurückhalten würden, was jedoch die lokale Presse wütend machte, die weiterhin behauptete, die USA würden sich verzögern, um ihnen zu erlauben, aufzuholen.

Frühe Bedenken

Nahaufnahme des ZETA-Reaktors während der Wartung. Die Haupt-Toroid-Vakuumkammer befindet sich unten links, umwickelt von den Stromkabeln der Stabilisierungsmagnete. Das größere Gerät rechts ist der Hauptinduktionsmagnet, der den Pinch-Strom im Plasma erzeugt hat.

Bei der Unterzeichnung des Informationsaustauschabkommens im November wurde ein weiterer Vorteil realisiert: Teams aus den verschiedenen Labors durften sich gegenseitig besuchen. Das US-Team, darunter Stirling Colgate, Lyman Spitzer, Jim Tuck und Arthur Edward Ruark , besuchten alle ZETA und kamen zu dem Schluss, dass die Neutronen mit „großer Wahrscheinlichkeit“ von der Fusion stammten.

Bei seiner Rückkehr in die USA rechnete Spitzer aus, dass mit den ZETA-Ergebnissen etwas nicht stimmte. Er bemerkte, dass die scheinbare Temperatur von 5 Millionen K während der kurzen Brennzeiten keine Zeit hatte, sich zu entwickeln. ZETA hat nicht genug Energie in das Plasma abgegeben, um es so schnell auf diese Temperaturen zu erhitzen. Wenn die Temperatur mit der relativ langsamen Geschwindigkeit anstieg, die seine Berechnungen nahelegten, würde die Fusion nicht zu einem frühen Zeitpunkt der Reaktion stattfinden und könnte keine Energie hinzufügen, die den Unterschied ausmachen könnte. Spitzer vermutete, dass die Temperaturmessung nicht genau war. Da es der Temperaturmesswert war, der darauf hindeutete, dass die Neutronen aus der Fusion stammten, bedeutete eine niedrigere Temperatur, dass die Neutronen ihren Ursprung nicht in der Fusion hatten.

Colgate war zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen. Anfang 1958 begannen er, Harold Furth und John Ferguson eine umfassende Untersuchung der Ergebnisse aller bekannten Pinchmaschinen. Anstatt aus der Neutronenenergie auf die Temperatur zu schließen, nutzten sie die Leitfähigkeit des Plasmas selbst, basierend auf den gut verstandenen Beziehungen zwischen Temperatur und Leitfähigkeit . Sie stellten fest , dass die Maschinen möglicherweise Temperaturen produziert wurden 1 / 10 , welche die Neutronen wurden darauf hindeutet, bei weitem nicht heiß genug , um die Anzahl der Neutronen zu erklären erzeugt wird, und zwar unabhängig von ihrer Energie.

Zu diesem Zeitpunkt produzierten die neuesten Versionen der US-Pinch-Geräte, Maybeatron S-3 und Columbus S-4, eigene Neutronen. Die Welt der Fusionsforschung hat einen Höhepunkt erreicht. Im Januar gaben Ergebnisse von Pinch-Experimenten in den USA und Großbritannien bekannt, dass Neutronen freigesetzt wurden und dass anscheinend eine Fusion erreicht wurde. Die Bedenken von Spitzer und Colgate wurden ignoriert.

Veröffentlichung, weltweites Interesse

Ein Reporterteam stellt Cockcroft (Mitte) Fragen zu ZETA. Während dieses Interviews gab Cockcroft seine Einschätzung ab, dass er zu 90 % sicher war, dass die Neutronen, die vom Gerät aus gesehen wurden, durch Fusion verursacht wurden.

Bas Pease (Mitte) und Bob Carruthers (rechts) werden vor dem ZETA-Reaktor von der BBC interviewt.

Die Veröffentlichung von ZETA war die Schlagzeile auf der ganzen Welt.

Die seit langem geplante Veröffentlichung von Fusionsdaten wurde Mitte Januar der Öffentlichkeit bekannt gegeben. Umfangreiches Material von den britischen ZETA- und Scepter- Geräten wurde ausführlich in der Ausgabe von Nature vom 25. Januar 1958 veröffentlicht , die auch Ergebnisse von Los Alamos' Maybeatron S-3, Columbus II und Columbus S-2 enthielt. Die britische Presse war wütend. Der Observer schrieb, dass "die Taktiken von Admiral Strauss eine aufregende Ankündigung des wissenschaftlichen Fortschritts verderbt haben, so dass sie zu einer schmutzigen Episode der Prestigepolitik geworden ist."

Die Ergebnisse waren typisch für die normalerweise nüchterne wissenschaftliche Sprache, und obwohl die Neutronen notiert wurden, gab es keine starken Behauptungen über ihre Quelle. Am Tag vor der Veröffentlichung berief Cockcroft, der Gesamtdirektor von Harwell, eine Pressekonferenz ein , um der britischen Presse die Ergebnisse vorzustellen. Ein Hinweis auf die Bedeutung des Ereignisses kann in Anwesenheit eines BBC- Fernsehteams gesehen werden, was zu dieser Zeit selten vorkam. Er begann mit der Einführung des Fusionsprogramms und der ZETA-Maschine und stellte dann fest:

In allen Experimenten zu toroidalen Entladungen wurden Neutronen in etwa der Zahl beobachtet, die man erwarten würde, wenn thermonukleare Reaktionen ablaufen. Aus früheren Experimenten in russischen und anderen Labors ist jedoch bekannt, dass Instabilitäten im Stromkanal starke elektrische Felder verursachen können, die Deuteronen beschleunigen und Neutronen erzeugen können. Es ist also in keinem Fall eindeutig bewiesen , dass die Neutronen auf die zufällige Bewegung des Deuteriums zurückzuführen sind, die mit einer Temperatur in der Größenordnung von fünf Millionen Grad verbunden ist ... Ihre Herkunft wird jedoch klar werden, sobald die Anzahl der Neutronen produziert werden kann durch Erhöhung von Strom und Temperaturen erhöht werden.

—  John Cockcroft , 24. Januar 1958

Die Reporter des Treffens waren mit dieser Einschätzung nicht zufrieden und drängten Cockcroft weiterhin auf die Neutronenfrage. Nachdem er mehrmals gefragt wurde, erklärte er schließlich, dass er seiner Meinung nach "zu 90 Prozent sicher" sei, dass sie von der Fusion stammten. Das war unklug; eine Meinungsäußerung eines Nobelpreisträgers wurde als Tatsachenbehauptung gewertet. Am nächsten Tag wurden die Sonntagszeitungen mit der Nachricht überhäuft, dass die Fusion in ZETA erreicht worden sei, oft mit Behauptungen, dass Großbritannien jetzt in der Fusionsforschung weit führend sei. Cockcroft hat die Ergebnisse nach der Veröffentlichung im Fernsehen weiter gehypt und erklärt: "Für Großbritannien ist diese Entdeckung größer als der russische Sputnik."

Wie geplant haben auch die USA eine große Anzahl von Ergebnissen ihrer kleineren Pinch-Maschinen veröffentlicht. Viele von ihnen gaben auch Neutronen ab, obwohl ZETA viel länger stabilisiert war und mehr Neutronen erzeugte, etwa um den Faktor 1000. Auf die Frage nach dem Erfolg in Großbritannien bestritt Strauss, dass die USA im Fusionswettlauf zurückgeblieben seien. Bei der Berichterstattung über das Thema konzentrierte sich die New York Times auf Columbus II von Los Alamos, erwähnte ZETA später im Artikel nur und kam dann zu dem Schluss, dass die beiden Länder "Kopf an Kopf" waren. Andere Berichte aus den USA unterstützten im Allgemeinen beide Programme gleichermaßen. Zeitungen aus dem Rest der Welt waren dem Vereinigten Königreich gegenüber günstiger; Radio Moskau ging so weit, Großbritannien öffentlich zu gratulieren, ohne die US-Ergebnisse zu erwähnen.

Da ZETA weiterhin positive Ergebnisse erzielte, wurde der Bau einer Folgemaschine geplant. Das neue Design wurde im Mai angekündigt; ZETA II wäre eine deutlich größere Maschine im Wert von 14 Millionen US-Dollar, deren explizites Ziel es wäre, 100 Millionen K zu erreichen und Nettostrom zu erzeugen. Diese Ankündigung wurde sogar in den USA gelobt; Die New York Times brachte eine Geschichte über die neue Version. ZETA-ähnliche Maschinen wurden weltweit angekündigt; Die Universität Osaka gab bekannt, dass ihre Pinch-Maschine noch erfolgreicher war als ZETA, das Aldermaston-Team gab positive Ergebnisse ihrer Scepter-Maschine bekannt, die nur 28.000 US-Dollar kostete, und ein neuer Reaktor wurde in der Uppsala University gebaut , der später im Jahr öffentlich vorgestellt wurde. Das Efremov-Institut in Leningrad begann mit dem Bau einer kleineren Version von ZETA, obwohl sie immer noch größer ist als die meisten anderen, bekannt als Alpha.

Weitere Skepsis, Rücknahme von Ansprüchen

Spitzer hatte bereits festgestellt, dass eine bekannte Theorie darauf hindeutet, dass die ZETA bei weitem nicht die Temperaturen erreichte, die das Team behauptete, und während der Veröffentlichung der Arbeit schlug er vor, dass "ein unbekannter Mechanismus im Spiel zu sein scheint". Andere Forscher in den USA, insbesondere Furth und Colgate, waren weitaus kritischer und sagten jedem, der zuhörte, die Ergebnisse seien Quatsch. In der Sowjetunion beeilte sich Lev Artsimovich , den Nature- Artikel übersetzen zu lassen, und erklärte, nachdem er ihn gelesen hatte, "Chush sobachi!" (Quatsch).

Cockcroft hatte angegeben, dass sie zu wenig Neutronen vom Gerät erhielten, um ihr Spektrum oder ihre Richtung zu messen. Andernfalls konnten sie die Möglichkeit nicht ausschließen, dass die Neutronen aufgrund elektrischer Effekte im Plasma freigesetzt wurden, die Arten von Reaktionen, auf die Kurchatov zuvor hingewiesen hatte. Solche Messungen wären leicht durchzuführen gewesen.

Im gleichen umgebauten Hangar, in dem ZETA untergebracht war, befand sich das Harwell Synchrocyclotron-Projekt von Basil Rose. Dieses Projekt hatte eine empfindliche Hochdruckdiffusions aufgebaut Nebelkammer als Zyklotron Hauptdetektor. Rose war überzeugt, die Neutronenenergien und -bahnen direkt messen zu können. In einer Reihe von Experimenten zeigte er, dass die Neutronen eine hohe Direktionalität hatten, im Gegensatz zu einem Fusionsursprung, von dem erwartet würde, dass er zufällig gerichtet ist. Um dies weiter zu demonstrieren, ließ er die Maschine "rückwärts" laufen, wobei der elektrische Strom in die entgegengesetzte Richtung lief. Dies zeigte einen deutlichen Unterschied in der Anzahl der Neutronen und ihrer Energie, was darauf hindeutete, dass sie auf den elektrischen Strom selbst und nicht auf Fusionsreaktionen im Plasma zurückzuführen waren.

Es folgten ähnliche Experimente an Vielleichtatron und Columbus, die die gleichen Probleme zeigten. Das Thema war eine neue Form der Instabilität, die "Mikroinstabilitäten" oder MHD-Instabilitäten, die durch wellenförmige Signale im Plasma verursacht wurden. Diese waren vorhergesagt worden, aber während der Knick in der Größenordnung des gesamten Plasmas lag und auf Fotos leicht zu erkennen war, waren diese Mikroinstabilitäten zu klein und bewegten sich schnell, um sie leicht zu erkennen, und waren zuvor einfach nicht bemerkt worden. Aber wie beim Knick, als sich diese Instabilitäten entwickelten, entwickelten sich Bereiche mit enormem elektrischem Potenzial, die Protonen in diesem Bereich schnell beschleunigten. Diese kollidierten manchmal mit Neutronen im Plasma oder an den Behälterwänden und schleuderten sie durch Neutronen-Spallation aus . Dies ist der gleiche physikalische Prozess, der in früheren Designs Neutronen erzeugt hatte, das Problem, das Cockcroft in den Pressemitteilungen erwähnt hatte, aber die zugrunde liegende Ursache war schwieriger zu erkennen und in ZETA waren sie viel stärker. Das Versprechen einer stabilisierten Prise verschwand.

Cockcroft war gezwungen, am 16. Mai 1958 einen demütigenden Widerruf zu veröffentlichen, in dem er behauptete: "Es macht genau die Arbeit, die wir erwartet hatten, und funktioniert genau so, wie wir es uns erhofft hatten." Le Monde brachte das Thema im Juni zu einer Schlagzeile auf der Titelseite und stellte fest: "Im Gegensatz zu dem, was vor sechs Monaten bei Harwell angekündigt wurde – britische Experten bestätigen, dass die thermonukleare Energie nicht 'domestiziert ' wurde ". Die Veranstaltung ließ das gesamte Feld erschaudern; nicht nur die Briten sahen töricht aus, auch alle anderen an der Fusionsforschung beteiligten Länder waren schnell auf den Zug aufgesprungen.

Harwell in Aufruhr, ZETA-Soldaten an

Ab 1955 hatte Cockcroft darauf gedrängt, einen neuen Standort für den Bau mehrerer Prototypen von stromerzeugenden Kernspaltungsreaktoren zu errichten. Dies wurde von Christopher Hinton entschieden abgelehnt , und innerhalb der UKAEA brach eine heftige Debatte darüber aus. Cockcroft gewann schließlich die Debatte, und Ende 1958 gründete die UKAEA AEE Winfrith in Dorset , wo sie schließlich mehrere experimentelle Reaktordesigns bauten.

Cockcroft hatte auch darauf gedrängt, den Reaktor ZETA II am neuen Standort unterzubringen. Er argumentierte, dass Winfrith besser geeignet wäre, den großen Reaktor zu bauen, und der nicht klassifizierte Standort würde besser zu der jetzt nicht klassifizierten Forschung passen. Dies führte zu dem, was als "so nah an einer Rebellion beschrieben wurde, die die individualistischen Wissenschaftler von Harwell möglicherweise anzetteln könnten". Thonemann machte deutlich, dass er nicht daran interessiert sei, nach Dorset zu ziehen, und schlug vor, dass mehrere andere hochrangige Mitglieder ebenfalls austreten würden, anstatt zu wechseln. Anschließend ging er für ein Jahr an die Princeton University . Die ganze Angelegenheit war eine große Belastung für Basil Schonland , der die Forschungsabteilung übernahm, als Cockcroft im Oktober 1959 verließ, um Master des neu gegründeten Churchill College in Cambridge zu werden .

Während dies geschah, wurde der ursprüngliche ZETA-II-Vorschlag immer größer und spezifizierte schließlich Ströme, die so stark waren wie der gemeinsame Europäische Torus , der Jahre später gebaut wurde. Da dies den Stand der Technik zu überschreiten schien, wurde das Projekt schließlich im Februar 1959 abgebrochen. Bald trat ein neuer Vorschlag an seine Stelle, das Intermediate-Current Stability Experiment (ICSE). ICSE wurde entwickelt, um weitere stabilisierende Effekte aus der M-Theorie zu nutzen, die darauf hindeutet, dass sehr schnelle Pinches den Strom nur in der äußeren Schicht des Plasmas fließen lassen, die viel stabiler sein sollte. Im Laufe der Zeit erreichte diese Maschine ungefähr die gleiche Größe wie ZETA; ICSE hatte einen Hauptdurchmesser von 6 m und einen Nebendurchmesser von 1 m und wurde von einer Kondensatorbank gespeist, die 10 MJ bei 100 kV speicherte.

Harwell war für ICSE ebenso wenig geeignet wie für ZETA II, daher wandte sich Schönland mit der Idee eines neuen Standorts für Fusionsforschung in der Nähe von Harwell an die Regierung. Er war überrascht, als er feststellte, dass sie mit der Idee zufrieden waren, da dies die Beschäftigung bei Harwell einschränken würde, dessen Gehaltsliste zu komplex wurde, um sie zu verwalten. Weitere Studien zeigten, dass die Kosten für den Bau eines neuen Standorts durch die Einsparungen durch die Beibehaltung des Standorts in der Nähe von Harwell ausgeglichen würden; würde ICSE bei Winfrith gebaut, wären die Reisekosten zwischen den Standorten beträchtlich. Im Mai 1959 kaufte die UKAEA RNAS Culham , etwa 16 km von Harwell entfernt. Der Bau des ICSE begann später in diesem Jahr, beginnend mit einem 1 Hektar großen Gebäude, das als "D-1" bekannt ist.

In der Zwischenzeit wurde an ZETA weitergearbeitet, um besser zu verstehen, was die neuen Formen von Instabilitäten verursacht. Neue diagnostische Techniken zeigten, dass die Elektronenenergien sehr niedrig waren, in der Größenordnung von 10 eV (ungefähr 100.000 K), während die Ionentemperaturen mit 100 eV etwas höher waren. Beides deutete auf einen schnellen Energieverlust im Plasma hin, was wiederum darauf hindeutete, dass der Brennstoff turbulent war und aus dem Einschluss entwich, um auf die Wände der Kammer zu treffen, wo er schnell abkühlte. Eine vollständige Präsentation der Ergebnisse erfolgte auf der Salzburger Konferenz 1961, wo die sowjetische Delegation sehr ähnliche Ergebnisse zu ihrem ZETA-Klon Alpha vorstellte.

Die Quelle dieser Turbulenzen wurde zu diesem Zeitpunkt nicht eindeutig identifiziert, aber das Team vermutete, dass sie auf stromgetriebene Widerstandsmoden zurückzuführen war; würde man nicht die vereinfachende Annahme machen, dass das Plasma keine makroskopische Resistenz besitzt, würden natürlich neue Instabilitäten auftreten. Als der neue Chef der UKAEA, William Penney , erfuhr, dass auch das ICSE-Design auf der widerstandsfreien Annahme beruhte, brach er das Projekt im August 1960 ab. Teile für den teilmontierten Reaktor wurden von anderen Teams beschafft.

Thonemann war zu diesem Zeitpunkt zurückgekehrt und hatte viele Bedenken bezüglich ICSE. Er verlangte, eine neue Fusionsgruppe gründen zu dürfen, um bei Harwell auf ZETA zu bleiben. ZETA blieb für einige Zeit die größte Ringkernmaschine der Welt und hatte etwas mehr als ein Jahrzehnt lang eine produktive Karriere, aber trotz seiner späteren Erfolge war ZETA immer als Beispiel für britische Torheit bekannt.

Thomson-Streuung und Tokamaks

Mike Forrest betreibt einen handgefertigten Laser, der Teil eines Thomson-Streusystems ist, das zur Temperaturmessung in ZETA verwendet wird. Dies wurde zu einem wichtigen diagnostischen Verfahren im Fusionsbereich, das bis heute verwendet wird.

Das Scheitern von ZETA war auf begrenzte Informationen zurückzuführen; Unter Verwendung der besten verfügbaren Messungen gab ZETA mehrere Signale zurück, die darauf hindeuteten, dass die Neutronen auf Fusion zurückzuführen waren. Die ursprünglichen Temperaturmessungen wurden durch Untersuchung der Dopplerverschiebung der Spektrallinien der Atome im Plasma vorgenommen. Die Ungenauigkeit der Messung und verfälschte Ergebnisse durch Elektronenstöße mit dem Behälter führten zu irreführenden Messungen aufgrund der Verunreinigungen, nicht des Plasmas selbst. Im Laufe des nächsten Jahrzehnts wurde ZETA kontinuierlich verwendet, um bessere Diagnosewerkzeuge zu entwickeln, um diese Probleme zu lösen.

Aus dieser Arbeit entstand schließlich eine Methode, die bis heute angewendet wird. Die Einführung von Lasern bot eine neue Lösung durch eine britische Entdeckung, die als Thomson-Streuung bekannt ist . Laser haben eine extrem genaue und stabile Frequenzsteuerung, und das von ihnen emittierte Licht interagiert stark mit freien Elektronen. Ein in das Plasma eingestrahlter Laser wird von den Elektronen reflektiert und während dieses Vorgangs durch die Bewegung der Elektronen dopplerverschoben. Die Geschwindigkeit der Elektronen ist eine Funktion ihrer Temperatur, so dass durch den Vergleich der Frequenz vor und nach Kollisionen die Temperatur der Elektronen mit extrem hoher Genauigkeit gemessen werden konnte. Durch "Umkehren" des Systems könnte auch die Temperatur der Ionen direkt gemessen werden.

In den 1960er Jahren war ZETA nicht das einzige Experiment, das unter unerwarteten Leistungsproblemen litt. Probleme mit der Plasmadiffusion über die Magnetfelder plagten sowohl die Magnetspiegel- als auch die Stellarator-Programme in einem Ausmaß, das die klassische Theorie nicht erklären konnte. Das Hinzufügen weiterer Felder schien die Probleme in keinem der vorhandenen Designs zu beheben. Die Arbeit verlangsamte sich dramatisch, als Teams auf der ganzen Welt versuchten, die Physik der Plasmen in ihren Geräten besser zu verstehen. Pfirsch und Schlüter waren die ersten, die einen bedeutenden Fortschritt machten, was darauf hindeutet, dass viel größere und leistungsfähigere Maschinen benötigt werden, um diese Probleme zu beheben. Auf dem gesamten Feld breitete sich eine pessimistische Haltung aus.

1968 fand in Nowosibirsk ein Treffen von Fusionsforschern statt , bei dem die sowjetischen Gastgeber zum Erstaunen aller ihre Arbeit an ihren Tokamak- Konstruktionen vorstellten, deren Leistungszahlen kein anderes Experiment auch nur annähernd erreichte. Das neueste ihrer Designs, der T-3, erzeugte Elektronenenergien von 1000  eV , verglichen mit etwa 10 eV in ZETA. Dies entsprach einer Plasmatemperatur von etwa 10 Millionen K. Obwohl das sowjetische Team hoch angesehen war, waren die Ergebnisse so gut, dass ernsthafte Bedenken bestanden, dass ihre indirekten Temperaturmessungen unzuverlässig sein könnten und sie einem Messproblem wie dem zum Opfer gefallen waren mit ZETA aufgetreten war. Spitzer drückte seine Skepsis noch einmal ziemlich stark aus und löste eine erbitterte Debatte mit Artsimovich aus.

Die Sowjets waren darüber gleichermaßen besorgt, und obwohl es der Höhepunkt des Kalten Krieges war , lud Artsimovich die UKAEA ein, ihr Lasersystem zum Kurchatov-Institut zu bringen und die Leistung unabhängig zu messen. Artsimovich hatte ihr System zuvor als "brillant" bezeichnet. Das Team wurde als "Culham Five" bekannt und führte Ende 1968 und Anfang 1969 eine Reihe von Messungen durch. Das resultierende Papier wurde im November 1969 veröffentlicht und überzeugte das Fusionsforschungsgebiet, dass der Tokamak tatsächlich das Leistungsniveau erreichte, das die Sowjets behaupteten . Das Ergebnis war ein "wahrer Ansturm" des Tokamak-Baus auf der ganzen Welt, und es bleibt das am besten untersuchte Gerät auf dem Gebiet der Fusion.

Tokamaks sind torusförmige Quetschmaschinen. Der Hauptunterschied ist die relative Stärke der Felder. Bei den stabilisierten Pinch-Maschinen wurde der größte Teil des Magnetfelds im Plasma durch den darin induzierten Strom erzeugt. Die Stärke der externen Stabilisierungsfelder war viel geringer und drang nur in die äußeren Schichten der Plasmamasse ein. Der Tokamak hat dies umgekehrt; die externen Magnete waren viel stärker und der Plasmastrom im Vergleich stark reduziert. Artsimovich drückte es so aus:

Die Längsfeldstärke muss um ein Vielfaches größer sein als die Stärke des vom Strom erzeugten azimutalen Feldes. Dies ist der wesentliche Unterschied zwischen Tokamak-Geräten und Systemen mit relativ schwachen Längsfeldern, wie dem bekannten englischen Zeta-Gerät.

Dieser Unterschied ist heute Teil eines allgemeinen Konzepts, das als Sicherheitsfaktor bekannt ist und als q bezeichnet wird. Er muss größer als eins sein, um die Stabilität während einer Entladung aufrechtzuerhalten; in ZETA waren es etwa 1 ⁄ 3 . Eine Maschine vom Typ ZETA könnte dieses q erreichen, würde jedoch enorm starke externe Magnete benötigen, um den gleich großen Feldern, die durch den Strom erzeugt werden, gerecht zu werden. Der Tokamak-Ansatz löste dies, indem weniger Pinch-Strom verwendet wurde; Dadurch wurde das System stabil, der Strom konnte jedoch nicht mehr zum Erhitzen des Plasmas verwendet werden. Tokamak-Designs erfordern eine externe Heizung.

Umgekehrtes Feldpinch

Im Jahr 1965 fand im neu eröffneten Culham-Labor ein regelmäßiges Treffen internationaler Fusionsforscher statt. Von allen vorgestellten Arbeiten waren nur zwei Arbeiten zum stabilisierten Pinch vorhanden, beide zu ZETA. Spitzer erwähnte sie in den Eröffnungskommentaren nicht.

Normalerweise bildete der in ZETA gesendete Stromimpuls einen Stromimpuls mit einer Form ähnlich einer Poisson-Verteilung , der schnell ansteigt und dann wieder abklingt. In einer der Veröffentlichungen wurde festgestellt, dass die Plasmastabilität kurz nach dem Abklingen des Stroms ein Maximum erreichte und dann länger anhielt als der Stromimpuls selbst. Dieses Phänomen wurde als "Ruhezustand" bezeichnet.

Drei Jahre später, auf dem gleichen Treffen, bei dem die sowjetischen Ergebnisse mit dem T-3 Tokamak erstmals veröffentlicht wurden, untersuchte ein Papier von Robinson und King die Ruhephase. Sie stellten fest, dass dies auf das ursprüngliche toroidale Magnetfeld zurückzuführen war, das sich selbst umkehrte und eine stabilere Konfiguration erzeugte. Damals überschattet die Ungeheuerlichkeit der T-3-Ergebnisse dieses Ergebnis.

John Bryan Taylor griff das Thema auf und begann eine detaillierte theoretische Untersuchung des Konzepts und veröffentlichte 1974 einen bahnbrechenden Artikel zu diesem Thema. Er demonstrierte, dass das Magnetfeld, das die Quetschung erzeugte, sich entspannte, mit den bereits bestehenden stabilisierenden Feldern interagierte und ein selbststabiles Magnetfeld erzeugte. Das Phänomen wurde durch den Wunsch des Systems angetrieben, die magnetische Helizität zu bewahren , was eine Reihe von Möglichkeiten zur Verbesserung der Einschlusszeit vorschlug.

Die stabilisierende Kraft war zwar geringer als die in der Quetschung zur Verfügung stehende Kraft, hielt aber deutlich länger an. Es schien, dass ein Reaktor gebaut werden könnte, der sich dem Lawson-Kriterium aus einer anderen Richtung nähert , indem er längere Einschlusszeiten anstelle einer erhöhten Dichte verwendet. Dies ähnelte im Konzept dem Stellarator-Ansatz, und obwohl er eine geringere Feldstärke als diese Maschinen hätte, war die Energie, die zum Aufrechterhalten des Einschlusses erforderlich war, viel geringer. Heute ist dieser Ansatz als Reverse-Field-Pinch (RFP) bekannt und wird kontinuierlich untersucht.

Taylors Untersuchung der Relaxation in den umgekehrten Zustand führte zu einem breiteren theoretischen Verständnis der Rolle der magnetischen Helizität und der Zustände minimaler Energie, was das Verständnis der Plasmadynamik erheblich voranbrachte. Der Zustand minimaler Energie, bekannt als „ Taylor-Zustand “, ist besonders wichtig für das Verständnis neuer Fusionsansätze in der Klasse der kompakten Toroide . Taylor fuhr fort, die Ballonbildungstransformation zu untersuchen , ein Problem, das bei den neuesten Hochleistungs-Toroidmaschinen auftrat, da sich im Plasma große Wellenformen bildeten. Seine Arbeit in der Fusionsforschung brachte ihm 1999 den James-Clerk-Maxwell-Preis für Plasmaphysik ein .

Abriss

Culham wurde 1965 offiziell eröffnet und während dieser Zeit begannen verschiedene Teams, die ehemaligen Standorte zu verlassen. Ein Team hielt ZETA bis September 1968 in Betrieb. Hangar 7, in dem ZETA und andere Maschinen untergebracht waren, wurde im Geschäftsjahr 2005/2006 abgerissen.

Anmerkungen

Verweise

Zitate

Literaturverzeichnis

Externe Links

• Die britische Sendung Sputnik – BBC Radio 4 auf ZETA wurde erstmals am 16. Januar 2008 ausgestrahlt
• ZETA – Peace Atoms , zeitgenössische Newreel-Geschichte über den Reaktor.

Koordinaten : 51.5799°N 1.3082°W 51°34′48″N 1°18′30″W /  / 51,5799; -1.3082