中間電流安定性実験

英国の研究者たちは、戦後間もない頃から制御核融合というテーマを真剣に検討した最初の研究者の一人でした。アルゼンチンの核融合計画の発表を受けて世界中で報道されたことで、英国の原子力研究所は迅速に核融合プログラムを立ち上げることができました。その後の2年間、初期の研究は、大型変圧器を使用して適切な核融合燃料（当時は純粋な重水素）のプラズマに電流を誘起する、今日ではZピンチとして知られる概念にすぐに焦点を当てました。2つのチームが結成され、1つはハーウェルの原子力研究施設（AERE）、もう1つはアルダーマストンの原子力兵器施設（AWRE）にありました。^{[ 1 ]}

1950年代半ばまでに、このプログラムは、電流が流れているときのプラズマの安定性に関連するいくつかの深刻な問題を発見するところまで進展した。これは多少の動揺を引き起こしたが、米国のチームによる新たな研究、特にマーシャル・ローゼンブルースの研究によってほぼすぐに解決された。これにより、いわゆる「安定化ピンチ」を使用した第2世代の装置が両施設で開発され、性能が大幅に向上した。安定化ピンチ設計が以前の問題を解決したという確信から、ハーウェルの研究者たちは、はるかに大きな装置を建設するための資金を強く求めた。これがZETAとして登場し、当時世界で最大かつ最も強力な核融合装置となった。彼らはその成功に非常に自信を持ち、1957年にはさらに強力な装置であるZETA IIの初期計画を開始した。^{[ 2 ] [ 3 ]}

ZETAが最初に稼働した直後、重水素を用いた試験運転で中性子が発生し始めた。その後数ヶ月にわたり、チームは核融合の実現に成功したと確信を深めていったが、そうではないと考える理由もいくつかあった。1958年1月、その結果が世界に発表された。核融合はもはや爆弾のためだけのものではなく、さらなる開発が必要ではあったものの、核融合による未来は避けられないように思われた。その後数ヶ月で、結果に深刻な問題があることが明らかになった。プラズマが非常に高温であることを示唆する温度測定は不正確であり、プラズマは核融合に必要な状態には程遠かった。より詳細な試験により、中性子を発生させている電流駆動型の不安定性の別の種類が明らかになった。^{[ 4 ]}

ZETAの問題が知られる前、建設が完了する前でさえ、ZETA IIの計画は進んでいた。それは基本的に、より強力な磁石とピンチ電流を備えたZETAのバージョンだった。この装置は損益分岐点に近づき、将来の商業化のモデルになる可能性があると考えられていた。そのため、そのような装置をどこに、誰が建設するかについて広範な議論が行われた。ハーウェルは機械を置くスペースが不足しており、新しい設計がはるかに大きくなる場合は、スペースを見つけるのが困難だった。さらに、作業する人数が多いと、サイトの管理が難しくなる。システムが商業プロトタイプになるのであれば、多数の実験用核分裂炉が建設されているより広いサイトであるAEAウィンフリスで建設されるべきであり、産業界に引き渡されるのであれば、メトロポリタン・ヴィッカースがコストのより大きな割合を負担すべきであるように思われた。^{[ 5 ]}

これらの決定はハーウェル内部で激しい抗議の嵐に見舞われた。一部の者は、ZETAの予測される性能に関係なく、生産コンセプトには程遠く、開発を産業界に押し付けるには時期尚早だと感じていた。また、ウィンフリスサイトは遠隔地であるため、理論側の物理学者は誰もそこへ移りたがらず、残った物理学者も移った物理学者と容易に連絡が取れないだろうと指摘する者もいた。ハーウェルが小さすぎるという点では意見が一致していたものの、それを解決するためにウィンフリスまで移転することにはほとんど支持がなかった。^{[ 5 ]}ジョン・コッククロフトがAEAの研究グループの幹部職から退任すると発表したことで、さらなる混乱が生じ、ZETAの取り組みに重要な人物の多くが組織内で異動することになった。^{[ 6 ]}

多くの混乱を経て、ZETAの問題点が明らかになった後、最終的な決定は、将来の装置をハーウェルから、現在カルハム核融合エネルギーセンターとして知られる新しい場所に移設することであった。ここはハーウェルからわずかな距離にあるため、移動の問題は軽微であり、また、十分な人材と理論的支援を提供するオックスフォード大学にも近かった。^{[ 7 ]}

ZETA の問題が明らかになるにつれ、ZETA II は直ちに再評価され、最終的に中止された。^{[ 8 ]}これは、1958 年秋の第 2 回平和のための原子力会議の頃に起こった。この会議では、ステラレータや磁気ミラーなど、それまで知られていなかった多くの新しい概念が提示された。^{[ 3 ]}しかし、これらはすべて何らかの問題を抱えており、事態にはある程度の悲観的な雰囲気が漂い、この分野は「停滞期」と呼ばれる状態に陥った。^{[ 9 ]}

平和のための原子力から戻った後、ハーウェルとAWREのチームは将来の計画を立てるよう求められた。AWREは特にミラーコンセプトに感銘を受けた。特に粒子密度が低いため、その挙動の詳細な理論的研究が容易になると考えたからである。以前イギリスの水素爆弾計画に携わっていたキース・ロバーツとジョン・ブライアン・テイラーは制御核融合の分野に移り、「フェニックス」と呼ばれるミラーマシンを提案した。彼らは最近、より大型のピンチマシン用に構築した電源を利用するため、1958年7月にシータピンチシステムを構築することも提案し、それをシータトロンと呼んだ。^{[ 10 ]}

ハーウェルは、トロイダルピンチの概念に多大な労力を費やしてきたため、全く新しい概念に移行することは難しいと感じていた。彼らは、ZETA II の研究成果をできる限り活用することを念頭に置きながら、ZETA の安定性の問題に対する解決策を探し始めた。^{[ 10 ]}検討の結果、ローゼンブルースの初期の研究から生まれたピンチ概念の別の修正案を選んだ。重要な概念は 2 つあった。1 つは、ピンチを非常に速く印加して、プラズマの外層のみに限定すること。もう 1 つは、電流が誘起された後に外部安定化磁場を反転させることだった。^{[ 11 ]}

コッククロフトと彼の後任に指名されたバジル・ションランドは、数人の新しい物理学者を加えてCTR諮問委員会を再編成した。1958年12月18日の最初の会合では、AERE、AWRE、およびメトロポリタン・ビッカースの持株会社であるアソシエイテッド・エレクトリカル・インダストリーズ（AEI）から多数の論文が発表された。国際的な研究に関するレビューも多数発表された。ハーウェルが、必要な電源から始めて、大型の新装置の準備を開始すべきであるという合意の後、詳細設計は延期された。^{[ 12 ]}

ピーター・トーネマンは1959年2月12日に「ゼータ1、ゼータ2、パンドラ（ガルボ）の提案」という論文を発表し、これがきっかけでハーウェルの研究者の多くが急遽会合を開いた。この会合の議事録にはICSEという名前が初めて登場する。トーネマンは、この実験の目的は「トロイダルピンチ放電は安定しているか」そして「壁へのエネルギー損失は二体衝突理論から計算されているか」に答えることだと述べている。彼はこの実験がゼータ2に取って代わるものであり、成功すれば新しいゼータ2がそれを基に作られると提案した。ウィリアム・ペニーは、今後の会合でより詳細な説明を発表するよう求めた。^{[ 3 ]}

1959年3月21日の会議はペニーが議長を務め、経営陣からはコッククロフト、ションランド、DWフライ、実験チームからはトーネマン、ジョージ・パジェット・トムソン、バス・ピース、ロイ・ビッカートンが出席した。この時点で、彼らはコンセプトを2つの段階に分け、ICSE(a)はゼータのアルミニウム製トーラスを再利用するが磁場反転機能がなく、電流は約0.5 メガアンペアに制限され、ICSE(b)は当初計画されていたセラミック製トーラス、磁場反転機能、1.5MAの 電流を持つものであった。この2つを合わせると125万ポンドの費用がかかる。^{[ 3 ]}

この要請は4月に正式に行われ、5月に原子力庁、7月に財務省によって150万ポンドで承認された。当時、ショーンランドは「ジョン・コッククロフト卿、ウィリアム・ペニー卿、そして私の全員一致の意見は、ICSEをできるだけ早くキュイハム飛行場に設置する計画を立てることが正しい方針であるということだ」と述べた。^{[ 13 ]}

この時までにチームは物理学の研究を3か月進めており、DL Smartの下でエンジニアリングが始まった。彼らは残りの1年を詳細設計に費やし、その結果価格が上昇した。10月、ショーンランドは最新の価格「概算」を求めたところ、ピースは210万ポンドだと示唆した。ショーンランドはショックを受け、「ショックには慣れているが、これは[削除]であり、おそらくこれで終わりではないだろう」と不満を漏らした。1960年の春に研究が完了する頃には、価格は実際にさらに上昇し、250万ポンドになっていた。ペニーとショーンランドにとって、これは終わりが見えないように見えるコスト上昇のパターンを示していた。^{[ 13 ]}

ロジャー・メイキンズは1月にAEAの議長に就任した。この頃、AEAの無関係なプロジェクトが予算を大幅に超過し、メイキンズはペニーに、ICSEが中心となっている研究グループの全プロジェクトの予算を作成するよう依頼した。彼らは新たに320万ドルの予算を作成し、その年の8月には400万ドルに増額した。この見積もりはそれ以来ずっと議論されている。^{[ 14 ]}それが正しいかどうかはともかく、それがAEAが核融合プログラムへの資金提供を制限するという決定につながり、ハーウェルの経営陣はICSEを救うために他のプロジェクトを中止し始めた。^{[ 14 ]}カルハムの新センターの運営責任者に選ばれたジョン・バートラム・アダムズは、他のプロジェクトを存続させるためだけにプロジェクトを中止する傾向があった。^{[ 15 ]}

ブライアン・フラワーズはハーウェルの理論物理学部門の元責任者であったが、1958年にマンチェスター大学の職に就くためにハーウェルを去った。彼は訪問のためにハーウェルに戻り、1960年1月末にコッククロフトに、ICSEが安定性基準を満たすために必要な条件をうまく作り出せるかどうかについて物理チームが疑問を抱いているという意見を伝えた。コッククロフトはすぐにこれをペニーに伝え、ペニーはフラワーズの後任であるWL・ローマーに話した。ローマーは、トンプソン、ビッカートン、ピースと同様に、この概念に確信を持っていると述べた。^{[ 15 ]}

こうした懸念に直面したペニーは、ジェームズ・チャドウィックやキース・ロバーツを含む外部の観察者に意見を求めた。水素爆弾の研究の一環としてコンピュータ計算を行ったロバーツは、ICSEの理論的根拠は脆弱であり、必要な磁場構成が実際に装置内で生成されるとは考えていなかった。他の意見とは異なり、ロバーツはこれが事実であることを示唆する完全な理論的分析を提示した。^{[ 16 ]}以前の理論ではプラズマの抵抗効果が考慮されておらず、ペニーはこれを重大な見落としとみなした。^{[ 17 ]}

最後に、ペニーはアダムズとピースを自宅に招き、この件について話し合った。アダムズは、ハーウェル・グループは当面は理論に集中し、すぐに大規模な実験施設を建設すべきではないという大まかな考えには同意した。しかし、彼はこれがカルハムの予算削減につながるのではないかと懸念を表明し、ペニーはそうはならないと保証した。ピースは尋ねられると失望を表明したが、いくつかの利点も認め、最終的には支持を表明した。^{[ 18 ]}ペニーは後に次のように書いている。

アダムスがフュージョンスタッフに決定事項を説明し、私が当局にICSEの中止を承認するよう要請することで合意した。

中止は1960年8月に承認され、9月に公表された。^{[ 20 ]}科学大臣のヘイルシャム卿は、ICSEを支援するためにウィンフリスへの移転を中止し、カルハムに移転することを発表しなければならないという厄介な問題を抱えていたが、今度は、そのような移転が必要になったまさにそのプロジェクトの中止を発表しなければならなかった。^{[ 21 ]}

この中止は国際的にも失望を招いた。米国原子力委員会（AEC）の研究部長であるアーサー・エドワード・ルアークは、ロシア訪問中にソ連の同僚からこのことを聞き、9月の公式発表まで確信が持てなかった。彼は、この中止によって米国のAEC管理者が自らの計画を同様の精査にさらすことになるのではないかと懸念した。^{[ 21 ]}

AEAの経営陣の間では、ISCEの中止は満足のいくものとして受け止められた。これにより、AWREの小規模なプログラムがすぐに主導権を握った。1961年1月にカルハムの最初の研究所計画が発表されると、フェニックスミラーとシータトロンのプログラムは両方とも拡大され、高速スイッチングコンデンサベースの電源の構築により、しばらくの間この分野で主導的な地位を占めることができた。^{[ 21 ]}

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• Crowley-Milling, Michael (1993). John Bertram Adams, Engineer Extraordinary. Taylor & Francis. ISBN 978-2-88124-876-4.
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• Sheffield, John (2013). Fun in Fusion Research. Newnes. ISBN 978-0-12-407861-1.
• Tang, W. M. (January 2011). "Microinstability theory in tokamaks". Nuclear Fusion. 18 (8): 1089. doi:10.1088/0029-5515/18/8/006.
• Austin, Brian (2016). Schonland: Scientist and Soldier. CRC Press. ISBN 978-1-4200-3357-1.