セプター（核融合炉）

セプターは、プラズマ閉じ込めのZピンチ概念に基づく初期の核融合発電装置シリーズであり、1956年から英国で製造された。これらは、 1947年にインペリアル・カレッジ・ロンドンでカズンズとウェアによって製造されたオリジナルのピンチマシンにまで遡る一連の装置の最終バージョンであった。1950年に英国の核融合研究が機密扱いになると、ウェアのチームはアルダーマストンの関連電気産業(AEI) 研究所に異動になった。チームは、ハーウェルの研究を支援するため、高電圧で金属管を使用することに伴う問題に取り組んだ。ハーウェルのZETAマシンが明らかに核融合を起こしたとき、AEIはすぐにより小型のマシンであるセプターを製造し、その結果をテストした。セプターは中性子も生成し、明らかにZETA実験を裏付けた。後に中性子は偽物であることが判明し、英国のZピンチ研究は1960年代初頭に終了した。

英国における核融合研究は、1946年にインペリアル・カレッジでわずかな予算で始まった。ジョージ・パジェット・トムソンがジョン・コッククロフトの原子力研究所（AERE）から資金を獲得できなかったとき、彼はプロジェクトを2人の学生、スタンリー（スタン）W・カズンズとアラン・アルフレッド・ウェア（1924-2010 ^[1] ）に引き渡した。彼らは1947年1月にガラス管と^古いレーダー部品を使用してこの概念に取り組み始めた。彼らの小さな実験装置は短い閃光を発生させることができたが、その光の性質は謎のままであった。なぜなら彼らはその温度を測定する方法を思い付かなかったからである。^[3]

この研究にはほとんど関心が寄せられなかったが、核融合に関するあらゆることに興味を持っていたジム・タックが注目した。彼は同じく核融合に魅了されていたピーター・トーネマンと出会い、2人はオックスフォード大学クラレンドン研究所で同様の小型装置を開発した。タックは装置が完成する前にシカゴ大学に移った。 ^[4]ロスアラモスに移った後、タックはそこでピンチコンセプトを導入し、最終的には同じ方向で ヘイバトロンを作った。

1950年初頭、クラウス・フックスは英国と米国の原子力機密をソ連に引き渡したことを認めた。核融合装置は大量の中性子を生成し、それが原子爆弾の核燃料の濃縮に使用できるため、英国は直ちに核融合研究のすべてを機密とした。研究は継続する価値があると判断されたが、大学の環境では機密性を維持するのは困難だった。両チームを安全な場所に移すことが決定された。ウェア率いる帝国チームは11月にアルダーマストンの新しいアソシエイテッド・エレクトリカル・インダストリーズ（AEI）研究所に設立され^[2]、トーネマン率いるオックスフォードチームはUKAEAハーウェルに移された^{[5] 。}

1951 年までに、多数のピンチ デバイスが稼働していました。カズンズとウェアは後継機をいくつか製作し、タックは Maybetron を製作し、ロスアラモスの別のチームはコロンバスとして知られる線形マシンを製作しました。後に、フックスが初期の英国の研究に関する情報をソ連に渡し、ソ連もピンチ プログラムを開始していたことが判明しました。

1952 年までに、機械に何か問題があることは誰の目にも明らかでした。電流が流されると、プラズマは最初は予想どおりに狭まりますが、その後一連の「ねじれ」が生じ、正弦波状に変化します。外側の部分が容器の壁にぶつかると、少量の物質がプラズマに剥がれ落ち、プラズマが冷却されて反応が台無しになります。このいわゆる「ねじれ不安定性」が根本的な問題であるように思われました。

アルダーマストンでは、インペリアル チームはトーマス アリボーンの指揮下に入った。ハーウェルのチームと比較すると、アルダーマストン チームはより高速なピンチ システムに焦点を当てることにした。彼らの電源は、合計容量が 66,000 ジュール^{[6] (最大拡張時) の大規模な}コンデンサバンクで構成され、スパーク ギャップによって切り替えられ、蓄積された電力を高速でシステムに放出できる。ハーウェルのデバイスは、よりゆっくりと上昇するピンチ電流を使用していたため、同じ条件に達するにはより大型でなければならなかった。^[7]

キンク不安定性を解決するための初期の提案の 1 つは、真空チャンバーにガラスの代わりに高伝導性の金属チューブを使用することです。プラズマがチューブの壁に近づくと、移動する電流によって金属に磁場が発生します。この磁場は、レンツの法則により、プラズマの動きを阻止し、容器の側面へのプラズマの接近を遅らせたり止めたりします。タックはこの概念を「プラズマにバックボーンを与える」と呼びました。

メトロポリタン・ヴィッカース出身のアリボーンは、電気的に絶縁するために小さな磁器のインサートを使用した金属壁のX線管を研究していた。彼は核融合実験で同じことを試みることを提案したが、ガラス管が耐えられる以上の高温になる可能性があった。彼らは主軸20cmの全磁器管から始め、プラズマが崩壊する前に30kAの電流をプラズマに誘導することができた。その後、彼らはアルミニウム版を製作したが、これは雲母インサートで2つに分割されていた。このバージョンでは、2つの半分の間でアーク放電が発生した。^[2]

金属管が将来有望であると確信したチームは、アーク放電の問題を解決するために、さまざまな材料と構築技術を用いた一連の長い実験を開始しました。1955年までに、彼らは有望な64セグメントの管を開発し、60kJのコンデンサバンクを使用して80kAの放電を誘発することができました。^[6]管は改善されましたが、同じキンク不安定性に悩まされ、このアプローチの研究は中止されました。^[8]

問題をより詳細に把握するため、チームは12インチの内径と45インチの直径を持つより大きなアルミニウム製トーラスの製作を開始し、2つの直線部分を挿入してレーストラックの形に伸ばしました。「ペッパーポット」と呼ばれる直線部分には、一連の穴が開けられており、角度が付けられているため、装置から少し離れた単一の焦点にすべてが向けられています。^[6]焦点に設置されたカメラはプラズマ柱全体を撮影することができ、不安定性プロセスに関する理解を大幅に向上させました。^[8]

この問題を検討したシャヴラノフ、テイラー、ローゼンブルースは、真空管の周りを回る磁石によって生成される定常トロイダル磁場という、システムに第 2 の磁場を追加するというアイデアを考案しました。第 2 の磁場は、プラズマ内の電子と重陽子を磁力線の周りを回らせ、ピンチ自体によって生成される磁場の小さな欠陥の影響を軽減します。これは米国と英国の両方で大きな関心を呼びました。トムソンは、実用的な装置の可能性と米国の明らかな関心を武器に、非常に大きな装置 ZETA の承認を獲得しました。

アルダーマストンでは、同じ情報を使用して、ウェアのチームは、既存のコンデンサバンクで利用可能な60kJで、内径2インチ、直径10インチの銅で覆われた石英管、または内径2インチ、幅18インチの全銅バージョンで必要な条件に達すると計算しました。両方の作業は、セプターIとIIとして並行して開始されました。^[8]

しかし、どちらも完成する前に、ハーウェルのZETAチームは 1957 年 8 月にすでに安定したプラズマを実現していました。アルダーマストン チームは、より大規模な写真システムの完成を急いでいました。管セグメント間の電気アークとショートが問題になりましたが、チームはすでに、装置を何百回も「空撃ち」することでこの影響を軽減できることを知っていました。^[9]アークに対処した後、さらなる実験で 100 万度程度の温度が実証されました。^[10]システムは期待どおりに機能し、高速写真とアルゴン ガスを使用して明るい画像を生成することで、キンク不安定性の鮮明な画像を作成しました。^[6]

その後、チームは直線部分を取り除き、安定化磁石を追加し、この装置をセプターIIIと改名した。^[6] 12月、彼らはZETAと同様の実験を開始した。酸素のスペクトル線を測定することで、内部温度は200万から350万度と算出された。側面のスリットを通して撮影した写真では、プラズマ柱が300から400マイクロ秒間安定していることが示されており、これは以前の研究に比べて劇的な改善であった。逆算して、チームはプラズマの電気抵抗が銅の約100倍であり、合計500マイクロ秒間200kAの電流を流すことができると計算した。電流が70kAを超えると、中性子がZETAとほぼ同じ数で観測された。^[10]

ZETAの場合と同様に、中性子は偽の発生源によって生成されており、温度は平均温度ではなくプラズマの乱流によるものであることがすぐに判明した。^[11]

1958年にZETAの失敗が明らかになると、ZETAとSceptre IIIAで見られた問題の解決策は、より優れた管、より高い真空、より高密度のプラズマという単純なものであると期待された。Sceptreマシンははるかに安価であり、高出力コンデンサバンクがすでに存在していたため、これらの概念を新しい装置であるSceptre IVでテストすることが決定された。^[12]

しかし、これらの技術はどれも役に立たなかった。セプターIVは、以前のマシンと同じパフォーマンス上の問題を抱えていることが判明した。^[12]セプターIVは、英国で製造された最後の主要な「クラシック」ピンチデバイスであることが判明した。

北緯51°22′09.3″ 西経1°08′25.9″ / 北緯51.369250° 西経1.140528° / 51.369250; -1.140528