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ZETA （Zero Energy Thermonuclear Assemblyの略）は、核融合発電研究の初期における重要な実験装置でした。ピンチプラズマ閉じ込め技術に基づき、英国原子力研究所で建設されたZETAは、当時世界最大の核融合装置であり、最も大型で強力な装置でした。その目的は、多数の核融合反応を起こすことでしたが、正味エネルギーを生み出すほどの規模ではありませんでした。
ゼータは1957年8月に稼働を開始し、月末までにパルスごとに約100万個の中性子を放出するようになった。測定結果から、燃料は100万～500万ケルビンに達しており、これは核融合反応を起こす温度であり、観測された中性子の量を説明するものであった。初期の結果は1957年9月に報道機関にリークされ、翌年1月には詳細なレビューが発表された。世界中の新聞の一面記事は、これを無制限のエネルギーへの突破口であり、最近打ち上げられたスプートニクがソ連にもたらした以上の、英国にとっての科学的進歩であると報じた。
米国とソ連の実験でも、核融合を起こすには温度が低すぎる状態で同様の中性子バーストが発生していた。このため、ライマン・スピッツァーは実験結果に懐疑的な見解を示したが、英国の観測者たちは彼の発言を排他的愛国主義だと一蹴した。ZETAに関するその後の実験で、当初の温度測定が誤解を招くものであったことが判明した。観測された中性子の数を生成するには、全体の温度が低すぎたのである。ZETAが核融合を起こしたという主張は公に撤回せざるを得なくなり、核融合研究界全体に暗い影を落とした恥ずべき出来事となった。中性子は後に、燃料の不安定性によって生じたものと説明された。これらの不安定性は、同様の設計であればどの設計にも内在するものと思われ、核融合発電への道としての基本ピンチコンセプトの研究は1961年までに終焉を迎えた。
ZETAは核融合の実現には至らなかったものの、その後も長期間にわたり実験を続け、この分野で数々の重要な進歩をもたらした。開発の一つとして、レーザーを用いてより正確に温度を測定する手法がZETAで試験され、後にソ連のトカマク方式の結果を検証するために用いられた。また別の研究では、ZETAの試験運転中に、電源を切った後にプラズマが自己安定化することが観察された。これが現代の逆磁場ピンチの概念につながった。さらに広く言えば、ZETAにおける不安定性の研究は、現代プラズマ理論の基礎となるいくつかの重要な理論的進歩をもたらした。
核融合の基本的な理解は、物理学者が量子力学という新しい科学を探求していた1920年代に発展しました。ジョージ・ガモフによる1928年の量子トンネル効果の探求は、核反応が古典理論の予測よりも低いエネルギーで起こり得ることを示しました。この理論を用いて、1929年にフリッツ・ホウターマンスとロバート・アトキンソンは、太陽の中心部で予想される反応率が、太陽が核融合によって動いているというアーサー・エディントンの1920年の提案を裏付けていることを示しました。[ 1 ] [ 2 ]
1934年、マーク・オリファント、ポール・ハーテック、アーネスト・ラザフォードは、粒子加速器を用いて重水素原子核を重水素、リチウム、その他の元素を含む金属箔に衝突させることで、地球上で初めて核融合を実現した。 [ 3 ]これにより、様々な核融合反応の断面積を測定することができ、重水素-重水素反応は他の反応よりも低いエネルギーで起こり、ピークは約10万電子ボルト（100 keV）であることが判明した。[ 4 ]
このエネルギーは、数億ケルビンに加熱された気体中の粒子の平均エネルギーに相当します。数万ケルビンを超えて加熱された物質は、電子と原子核に解離し、プラズマと呼ばれる気体状の物質状態を生成します。どの気体においても、粒子は幅広いエネルギーを持ち、通常はマクスウェル・ボルツマン統計に従います。このような混合物では、少数の粒子がバルクよりもはるかに高いエネルギーを持つことになります。[ 5 ]
これは興味深い可能性につながります。100,000 eV をはるかに下回る温度でも、一部の粒子はランダムに核融合を起こすのに十分なエネルギーを持つことがあります。これらの反応は膨大な量のエネルギーを放出します。そのエネルギーをプラズマに取り戻すことができれば、他の粒子もそのエネルギーまで加熱することができ、反応が自己持続的になります。1944 年に、エンリコ・フェルミは、これが約 50,000,000 K で起こると計算しました。[ 6 ] [ 7 ]
この可能性を利用するには、これらのランダムな反応が起こるのに十分な時間、燃料プラズマを一定に保つ必要がある。あらゆる高温ガスと同様に、プラズマには内部圧力があり、理想気体の法則に従って膨張する傾向がある。[ 5 ]核融合炉の場合、問題はプラズマをこの圧力に逆らって閉じ込めておくことである。既知の物理的な容器は、これらの温度では溶けてしまうだろう。[ 8 ]
プラズマは電気伝導性があり、電場と磁場の影響を受けます。磁場の中では、電子と原子核は磁力線に沿って軌道運動します。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]単純な閉じ込めシステムは、ソレノイドの開いたコア内に配置されたプラズマで満たされたチューブです。プラズマは自然にチューブの壁に向かって外側に膨張し、チューブに沿って端に向かって移動しようとします。ソレノイドはチューブの中心に沿って走る磁場を生成し、粒子はその磁場の周りを軌道運動し、側面への移動を防ぎます。残念ながら、この配置ではプラズマをチューブの長さに沿って閉じ込めることはできず、プラズマは端から自由に流れ出てしまいます。[ 11 ]
この問題に対する明らかな解決策は、チューブをトーラス（リングまたはドーナツ型）に曲げることです。[ 12 ]側面への動きは以前と同様に制限されたままで、粒子は線に沿って自由に移動できますが、この場合、チューブの長軸の周りを循環するだけです。しかし、フェルミが指摘したように、[ a ]ソレノイドをリング状に曲げると、電気巻線は外側よりも内側で密になります。これにより、チューブ全体に不均一な磁場が生じ、燃料はゆっくりと中心からドリフトします。このドリフトに対抗し、長期的な閉じ込めを実現するには、追加の力が必要です。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
閉じ込め問題の潜在的な解決策は、1934 年にウィラード・ハリソン・ベネットによって詳しく説明された。[ 17 ] [ 18 ]電流は磁場を生成し、ローレンツ力により、内向きの力が生じる。これは避雷針で最初に観察された。[ 19 ]ベネットは、同じ効果により電流がプラズマを細い柱に「自己集束」させることを示した。1937年にルウィ・トンクスによる 2 番目の論文では、この問題が再び検討され、「ピンチ効果」という名前が導入された。[ 20 ] [ 21 ]その後、トンクスとウィリアム・アリスによる論文が発表された。[ 22 ]
プラズマにピンチ電流を印加すると、膨張を抑制してプラズマを閉じ込めることができます。[ 15 ] [ 23 ]これを行う簡単な方法は、蛍光灯のように、プラズマを直線状のチューブに入れ、両端の電極を使用して電流を流すことです。この配置では、チューブの長さに沿って閉じ込めは発生しないため、プラズマは電極に流れ込み、電極を急速に侵食します。これは純粋に実験的な装置では問題にならず、侵食速度を遅くする方法があります。[ 24 ]別の解決策は、チューブの隣に磁石を置くことです。磁場が変化すると、変動によってプラズマに電流が誘導されます。この配置の主な利点は、チューブ内に物理的な物体がないため、トーラス状に形成してプラズマを自由に循環させることができることです。[ 8 ] [ 25 ]
核融合への道としてのトロイダルピンチの概念は、1940年代半ばに英国で、特にインペリアル・カレッジ・ロンドンのジョージ・パジェット・トムソンによって研究された。[ 26 ] 1945年にオックスフォードシャー州ハーウェルに原子力研究施設（AERE）が設立されると、トムソンは所長のジョン・コッククロフトに実験装置の開発資金を繰り返し請願したが、これらの要請は却下された。当時、明らかな軍事用途はなかったため、この概念は機密扱いにされなかった。これにより、トムソンとモーゼス・ブラックマンは1946年にこのアイデアの特許を申請することができ、マイクロ波源で加熱され、電流を継続的に駆動しながら、プラズマを電離して短時間閉じ込めるのに十分なピンチ電流を使用する装置について説明した。[ 27 ] [ 28 ]
実用的な装置としては、反応条件が燃料を適量燃焼させるのに十分な時間持続するという追加要件がある。トムソンとブラックマンの元の設計では、マイクロ波注入が電子を駆動して電流を維持し、1分程度のピンチを生成することでプラズマを5億Kまで加熱する役割を担っていた。[ 29 ]プラズマ内の電流もプラズマを加熱していた。電流を熱源としても使用すれば、加熱の唯一の制限はパルスの電力だけとなる。このことから、システムが短時間だが非常に強力なパルスで動作する新しい原子炉設計が生まれた。[ 12 ]このような装置には非常に大きな電源が必要になるだろう。[ 26 ]
1947年、コッククロフトは、ハーウェルの理論物理学部長クラウス・フックスを含む、トムソンの最新の概念を研究するために、ハーウェルの数人の物理学者の会合を手配した。トムソンの概念は、特にフックスからはあまり受け入れられなかった。[ 30 ]このプレゼンテーションも資金を得ることができなかったため、トムソンは、インペリアルの2人の大学院生、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 [ 31 ] ）に自分の概念を伝えた。彼は、マックス・スティーンベックがドイツで設計した「ヴィルベルロール」（「渦巻き管」）として知られるトロイダル粒子加速器の一種に関するレポートを追加した。ヴィルベルロールは、二次コイルとしてトーラス形状の真空管を備えた変圧器で構成されており、概念的にはトロイダルピンチ装置に似ている。[ 26 ]
その年の後半、ウェアは古いレーダー機器から小型の装置を作り、強力な電流を誘起することに成功した。電流が流れるとプラズマから閃光が発せられたが、プラズマの温度を測定する方法は見つからなかった。[ 26 ]トムソンは政府に本格的な装置の製作を許可するよう圧力をかけ続け、自身の相当な政治的影響力を使って、最近アルダーマストンに建設されたアソシエイテッド・エレクトリカル・インダストリーズ（AEI）研究所に専用の実験ステーションを設置するよう主張した。[ 32 ]
ウェアは、オックスフォード大学クラレンドン研究所のジム・タックを含む、興味のある人なら誰とでも実験について話し合った。タックとスタニスラフ・ウラムは、戦時中にロスアラモスで働いていたとき、成形炸薬爆薬を使った失敗に終わった核融合システムを構築したが、それは機能しなかった。[ 33 ]タックは、核融合理論に取り組んでいたオーストラリア人のピーター・トーネマンと合流し、2人はクラレンドンを通じて資金を調達し、インペリアルにあるような小型装置を製作した。しかし、この作業が始まる前に、タックは米国で仕事のオファーを受け、最終的にロスアラモスに戻った。[ 34 ]
トーネマンはアイデアの研究を続け、磁場中のプラズマの基本的な物理を探求する厳密なプログラムを開始した。直線状のチューブと水銀ガスから始め、電流が容器の壁に触れるまでプラズマを通して外側に広がる傾向があることを発見した（表皮効果を参照）。彼はチューブの外側に小さな電磁石を追加することでこれに対抗し、電流を押し戻して中心に維持した。1949年までに、彼はガラス管からより大きな銅製のトーラスに移行し、そこで安定したピンチプラズマを実証することができた。フレデリック・リンデマンとコッククロフトが訪れ、大いに感銘を受けた。[ 35 ]
コッククロフトはハーバート・スキナーに概念の見直しを依頼し、スキナーは1948年4月に見直しを行った。スキナーはプラズマ中に電流を生成するというトムソンのアイデアに懐疑的で、トーネマンのアイデアの方がうまくいく可能性が高いと考えた。また、磁場中のプラズマの挙動はよく理解されておらず、「この疑問が解消されるまでは、これ以上の計画を立てても無駄だ」と指摘した。[ 32 ]
一方、ロスアラモスでは、タックはアメリカの研究者たちにイギリスの取り組みを紹介した。1951年初頭、ライマン・スピッツァーはステラレーターの構想を発表し、資金を求めて原子力関係機関に売り込みをかけていた。タックはスピッツァーの熱意に懐疑的で、彼の開発計画は「信じられないほど野心的」だと感じていた。[ 36 ]彼はピンチ方式に基づく、はるかに控えめな計画を提案した。両者は1951年5月にワシントンでそれぞれの構想を発表し、その結果、原子力委員会はスピッツァーに5万ドルを支給した。[ 36 ]タックはロスアラモス所長のノリス・ブラッドベリーを説得し、裁量予算から5万ドルを支給してもらい、それを使ってパーパサトロンを建造した。[ 15 ]
1950年、フックスはイギリスとアメリカの原子爆弾の機密をソ連に漏らしたことを認めた。核融合装置は爆弾の核燃料を濃縮するために使用できる高エネルギー中性子を生成するため、イギリスは直ちにすべての核融合研究を機密扱いにした。これは、研究チームが大学のオープンな環境で作業できなくなったことを意味した。[ 37 ]ウェア率いるインペリアルチームはアルダーマストンのAEI研究所に移り、トーネマン率いるオックスフォードチームはハーウェルに移った。[ 8 ] [ b ]
1952年初頭までに、多数のピンチ装置が稼働していた。カズンズとウェアはセプターという名前でいくつかの後継機を製作し[ 38 ]、ハーウェルチームはマークIからマークIVとして知られる一連のより大型の装置を製作した[ 39 ] [ 40 ] 。米国では、タックが1952年1月にパーハペサトロンを製作した[ 41 ]。後に、フックスが英国の研究をソ連に引き継ぎ、ソ連も核融合計画を開始していたことが判明した[ 42 ] 。
これらのグループすべてにとって、ピンチマシンに深刻な問題があることは明らかでした。電流を流すと、真空管内のプラズマ柱が不安定になり、崩壊して圧縮が失敗します。さらに研究を進めた結果、「キンク」と「ソーセージ」と呼ばれる2種類の不安定性が特定されました。[ 43 ]キンクでは、通常はトロイダルなプラズマが横に曲がり、最終的に容器の端に接触します。ソーセージでは、プラズマ柱に沿ってプラズマがくびれて、ソーセージのリンクのようなパターンを形成します。[ 44 ]
調査により、両方とも同じ根本的なメカニズムによって引き起こされたことが明らかになった。ピンチ電流が印加されると、ガスの密度がわずかに高い領域では、わずかに強い磁場が生成され、周囲のガスよりも速く崩壊する。これにより、局所的な領域の密度が高くなり、さらに強いピンチが発生し、暴走反応が起こる。単一領域の急速な崩壊により、柱全体が分裂する。[ 44 ] [ c ]
この現象に関する初期の研究では、問題の解決策の1つとして圧縮速度を上げることが提案された。このアプローチでは、圧縮が非常に速く開始および停止されるため、プラズマの大部分が移動する時間がなく、代わりにこの急速な圧縮によって生成された衝撃波がプラズマの大部分を圧縮することになる。[ 46 ]このアプローチは高速ピンチとして知られるようになった。コロンバス線形マシンに取り組んでいたロスアラモスチームは、この理論を検証するために改良版を設計した。[ 47 ]
他の研究者たちは圧縮中のプラズマを安定させる方法を探し始め、1953年までに2つの概念が注目されるようになった。1つの解決策は、真空管を薄いが導電性の高い金属のシートで包むことだった。プラズマ柱が動き始めると、プラズマ内の電流がシート内に磁場を誘起し、レンツの法則により、その磁場がプラズマを押し返すことになる。これは、チャンバー内でプラズマトーラス全体が漂流するような、大きくてゆっくりとした動きに対して最も効果的だった。[ 48 ] [ 49 ]
2番目の解決策では、真空管の周りに追加の電磁石を巻き付けました。これらの磁石からの磁場は、プラズマ内の電流によって生成されるピンチ磁場と混ざり合います。その結果、プラズマ管内の粒子の経路はもはやトーラスの周りを純粋に円形ではなく、理髪店のポールにある縞模様のようにねじれました。[ 13 ]米国では、この概念はプラズマに「バックボーン」を与え、小規模で局所的な不安定性を抑制するものとして知られていました。[ 50 ]計算によると、この安定化されたピンチは閉じ込め時間を劇的に改善し、古い概念は「突然時代遅れに見えた」のです。[ 48 ]
ロスアラモスに最近着任したマーシャル・ローゼンブルースは、ピンチコンセプトの詳細な理論的研究を開始した。妻のアリアナ・W・ローゼンブルースとリチャード・ガーウィンと共に、彼は「モーター理論」または「M理論」を開発し、1954年に発表した。この理論は、電流の加熱効果は電界のパワーとともに大幅に増加すると予測した。これは、高速ピンチコンセプトの方が成功しやすいことを示唆しており、これらの装置ではより大きな電流を生成しやすい。彼が安定化磁石のアイデアを理論に組み込んだとき、2番目の現象が現れた。原子炉の物理的なサイズ、安定化磁石のパワー、ピンチの量に基づく特定の狭い条件の下では、トロイダルマシンは自然に安定しているように見えた。[ 50 ]
米国の研究者たちは、既存の小型装置を改造して、高速ピンチと安定化ピンチの両方をテストする計画を立てた。英国では、トムソンは再び大型装置の資金提供を強く求めた。今回ははるかに好意的に受け入れられ、1954年末に20万ポンドの初期資金が提供された。[ 40 ] 1955年も設計作業は続けられ、7月にプロジェクトはZETAと命名された。[ 51 ]「ゼロエネルギー」という用語は、原子力産業で小型研究炉を指すために使用されたフレーズで、[ 52 ] ZEEPのように、反応を起こしながら正味のエネルギーを放出しないというZETAの目標と同様の役割を果たしていた。[ 53 ]
ZETAの設計は1956年初頭に最終決定された。メトロポリタン・ヴィッカース社が機械の製造を請け負い、その機械には当時イギリスで製造されたものとしては最大となる150 トンのパルス変圧器が含まれていた。電気部品に必要な高強度鋼が不足するという深刻な問題が発生したが、米国の電気産業でのストライキにより材料が急激に供給過剰となり、問題は解決した。[ 51 ]
ZETAは、建設当時、世界最大かつ最強の核融合装置でした。[ 54 ] [ d ]アルミニウム製のトーラスは、内径が1メートル（3フィート3インチ）、主半径が1.6メートル（5フィート3インチ）で、当時建造されたどの装置の3倍以上の大きさでした。また、プラズマに最大10万アンペア（A）の電流を誘導するように設計された誘導磁石を組み込んだ、最も強力な設計でもありました。後の設計変更により、この電流は20万アンペアに増加しました。[ 55 ]安定化には2種類の方式が採用されており、アルミニウム製の壁が金属シールドとして機能し、一連の二次磁石がトーラスを囲んでいました。[ 53 ]トーラス磁石間の隙間に設けられた窓からプラズマを直接観察することができました。[ 8 ]
1954 年 7 月、AERE は英国原子力庁(UKAEA) に再編された。同年、この装置を収容するためのハーウェルの格納庫 7 の改修が始まった。[ 56 ]先進的な設計にもかかわらず、価格は控えめで、約 100 万米ドルだった 。[ 57 ] [ e ] 1956 年後半には、ZETA が 1957 年半ばに稼働し、モデル C ステラレータや最新バージョンのパーパセイトロン、コロンバスを凌駕することが明らかになった。これらのプロジェクトは秘密だったため、入手可能なわずかな情報に基づいて、報道機関はこれらが同じ概念装置のバリエーションであり、英国が実用的な装置を製造する競争で大きくリードしていると結論付けた。[ 53 ]
1953年以降、米国は高速ピンチコンセプトにますます注力するようになった。これらの装置の中には中性子を生成するものもあり、これらは当初核融合と関連付けられていた。非常に大きな興奮があり、他の研究者もすぐにこの分野に参入した。その中にはスターリング・コルゲートもいたが、彼の実験はすぐに核融合が起こっていないという結論に至った。スピッツァー抵抗率によれば、プラズマの温度はそれを流れる電流から決定できる。コルゲートが計算を行ったところ、プラズマ内の温度は核融合に必要な温度をはるかに下回っていた。[ 58 ]
こうした状況から、中性子を生成する何らかの別の効果が関与しているに違いない。その後の研究により、これらは燃料の不安定性の結果であることが明らかになった。局所的な高磁場領域が微小な粒子加速器として働き、中性子を放出する反応を引き起こした。これらの不安定性を低減しようとする改良は状況を改善せず、1956年までに高速ピンチの概念はほぼ放棄された。米国の研究所は安定化ピンチの概念に注目し始めたが、この時点でZETAはほぼ完成しており、米国は大きく遅れをとっていた。[ 48 ]
1956年、ニキータ・フルシチョフとニコライ・ブルガーニンの英国への公式訪問を大々的に計画していたハーウェルの研究者たちは、ソ連の科学者イゴール・クルチャトフから講演の依頼を受けた。彼らが驚いたのは、クルチャトフが「気体放電で熱核反応を起こす可能性」について講演を始めたときだった。[ 59 ]クルチャトフの講演では、アメリカの設計に似た高速ピンチ装置を製造しようとするソ連の取り組みと、プラズマの不安定性に関する問題が明らかになった。[ 59 ] [ 60 ]クルチャトフは、中性子が放出されているのも確認しており、当初は核融合によるものだと考えていたと述べた。しかし、数値を調べたところ、プラズマの温度が十分高くないことが明らかになり、中性子は他の相互作用によるものだと結論付けた。[ 61 ]
クルチャトフの演説により、3カ国が共通の基本概念に基づいて研究を進めており、同様の問題に直面していたことが明らかになった。コッククロフトは、この重複した取り組みを避けるため、核融合研究の機密解除を働きかけるために米国へ向かっていたため、クルチャトフの訪問を見逃した。大西洋の両岸では、研究成果を共有することで進歩が大幅に促進されるという認識が広く共有されていた。ソ連が共通の基本的な開発段階にあり、それを公に議論することに関心を持っていることが分かったため、米国と英国も多くの情報を公開することを検討し始めた。これが、1958年9月にジュネーブで開催された第2回平和のための原子力会議で、すべての核融合研究を公開するというより広範な取り組みへと発展した。 [ 62 ]
1957年6月、英国と米国は、会議の前に互いにデータを公開するという合意を最終決定した。英国と米国はともに「全力で」会議に出席する予定だった。最終条件は1957年11月27日に合意され、プロジェクトを相互に検査できるようにし、1958年1月にすべてのデータを広く一般に公開することを求めた。[ 63 ]
ZETAは1957年8月中旬に水素を用いて運転を開始した[ 56 ] 。これらの運転により、ZETAは以前のピンチマシンで見られたような安定性の問題に悩まされておらず、プラズマの持続時間はマイクロ秒からミリ秒に延び、実に3桁もの改善が見られた[ 64 ] 。パルスの長さにより、分光法を用いてプラズマ温度を測定することが可能になった。放出される光は広帯域であったが、プラズマ中の不純物のスペクトル線のドップラー広がりにより、温度を計算できるようになった[ 65 ] 。
初期の実験段階でも、チームは混合ガスに重水素ガスを導入し始め、電流を20万 アンペアまで増やし始めた。8月30日の夕方、この装置は実験パルス、つまり「ショット」ごとに100万個もの膨大な数のニュートロンを生成した。 [ 66 ]その後、結果を再現し、測定の失敗の可能性を排除するための取り組みが行われた。[ 67 ]
プラズマの温度に大きく依存していた。温度が低いと、中性子は核融合とは関係がなかった。分光測定では、プラズマ温度は100万～500万Kと推定された。これらの温度では、予測される核融合率は、観測された中性子の数の2倍以内であった。ZETAは、設計どおり少数の核融合反応を生成するという長年の目標を達成したように見えた。[ 57 ]
米国の取り組みは一連の小さな技術的挫折に見舞われ、実験は約1年遅れた。新しいパーパセイトロンS-3とコロンバスIIは、実験規模ははるかに小さいにもかかわらず、ZETAとほぼ同時期まで稼働を開始しなかった。しかし、これらの実験が1957年半ばに稼働を開始すると、それらも中性子を生成し始めた。[ 68 ] 9月までに、これらの装置とオークリッジ国立研究所の新しい設計であるDCXは非常に有望に見えたため、エドワード・ガードナーは次のように報告した。
…オークリッジの装置かロスアラモスの装置のいずれかが、1958年1月までに熱核中性子の生成を確認する可能性は十分にある。[ 68 ]
このニュースはあまりにも素晴らしいので、秘密にしておくことはできなかった。9月には、そそるような情報が漏れ始めた。10月には、トーネマン、コッククロフト、ウィリアム・P・トンプソンが、興味深い結果が続くことを示唆した。11月には、UKAEAのスポークスマンが「核融合が達成された兆候がある」と述べた。[ 57 ]これらのヒントに基づいて、フィナンシャル・タイムズはこの問題に2段組の記事を丸ごと割いた。それから1958年初頭までの間、英国の報道機関はゼータについて平均して週に2本の記事を掲載した。[ 53 ]米国の新聞でさえこの話を取り上げ、11月17日にはニューヨーク・タイムズが成功の兆候を報じた。[ 69 ]
英国と米国はデータの完全な公開に合意していたが、この時点で米国プログラムの総責任者であるルイス・ストラウスは公開を保留することにした。[ 63 ]タックは、この分野は非常に有望に見えたため、研究者が核融合が確実に起こっていると知る前にデータを公開するのは時期尚早だと主張した。[ 48 ]ストラウスはこれに同意し、結果を確認するために一定期間データを保留すると発表した。[ 63 ]
この問題が報道で広く知られるようになると、11月26日、下院で発表の問題が取り上げられた。野党の質問に答える形で、下院議長は結果を公表し、発表の遅れは英米間の合意によるものだと説明した。[ 69 ]英国の報道機関はこれを異なる解釈をし、[ 53 ]米国が英国の結果を再現できなかったために発表を遅らせていると主張した。[ 70 ]
事態は12月12日に頂点に達した。元国会議員のアンソニー・ナッティングがニューヨーク・ヘラルド・トリビューン紙に次のような記事を寄稿したのだ。
この重大なニュースの公表をアメリカがためらう本当の理由は政治的なものだと、陰険な口調で私に示唆する人もいる。彼らは、もしアメリカが、ロシアだけでなくイギリスも科学技術開発においてアメリカより先行していることを認めざるを得なくなった場合、政権が被るであろう威信の失墜を指摘している。私は、この態度は安全保障に対する盲目的で誤った適用から生じていると信じたい。しかし、理由が何であれ、これはワシントンが西側パートナーシップの真の意味とソ連の脅威の真の性質について嘆かわしい誤解を抱いていることを示している。[ 71 ]
この記事はマクミラン政権内で慌ただしい動きを引き起こした。当初、王立協会の定例会合で結果を発表する予定だったが、アメリカとソ連を招待するかどうかについて大きな懸念があった。特に、ソ連が来ればアメリカはひどく動揺するだろうが、招待されずにイギリスだけの会合になった場合も同様に動揺するだろうと考えられていたからである。[ 72 ]この一件は最終的に、米国がゼータの結果を隠蔽していないというUKAEAの公式発表につながったが、[ 73 ]これは地元メディアを激怒させ、米国が追いつくために発表を遅らせていると主張し続けた。[ 57 ] [ f ]
11月に情報共有協定が締結されたとき、さらなる利点が実現した。様々な研究所のチームが互いに訪問できるようになったのだ。スターリング・コルゲート、ライマン・スピッツァー、ジム・タック、アーサー・エドワード・ルアークを含む米国チームは全員ZETAを訪れ、中性子が核融合によるものである可能性が「非常に高い」と結論付けた。[ 63 ]
米国に帰国後、スピッツァーはZETAの結果に何か問題があると計算した。見かけ上の温度である500万Kは、短い発射時間では到達する時間がないことに気づいた。ZETAはプラズマをその温度まで急速に加熱するのに十分なエネルギーをプラズマに放出していなかった。温度が彼の計算が示唆する比較的遅い速度で上昇しているとすれば、反応の初期段階で核融合は起こらず、その差を埋める可能性のあるエネルギーを加えることもできない。スピッツァーは温度の測定値が正確ではないと疑った。中性子が核融合由来であることを示唆したのは温度の測定値だったので、温度が低ければ、中性子は非核融合由来であることを示唆することになる。[ 74 ]
コルゲートも同様の結論に達していた。1958年初頭、彼とハロルド・ファース、ジョン・ファーガソンは、既知のすべてのピンチマシンの結果に関する広範な研究を開始した。彼らは、中性子エネルギーから温度を推測する代わりに、温度と導電率の間のよく理解された関係に基づいて、プラズマ自体の導電率を使用した。彼らは、マシンが生成する温度は中性子が示唆する温度の約1/10であり、エネルギーに関係なく、生成される中性子の数を説明するには到底十分な高温ではないと結論付けた。[ 74 ]
この頃には、米国の最新型ピンチ装置であるパーハペサトロンS-3とコロンバスS-4が自ら中性子を生成していた。核融合研究の世界は最高潮に達した。1月には、米国と英国のピンチ実験の結果がともに中性子が放出され、核融合が達成されたことを発表した。スピッツァーとコルゲートの懸念は無視された。[ 74 ]
長らく計画されていた核融合データの公開は、1月中旬に一般に発表された。英国のZETAおよびSceptre装置からの相当量の資料が、1958年1月25日号のNature誌で詳細に公開され、ロスアラモスのPerhapsatron S-3、Columbus II、Columbus S-2の結果も含まれていた。英国の報道機関は激怒した。オブザーバー紙は、「ストラウス提督の戦術は、本来なら刺激的な科学的進歩の発表となるはずのものを台無しにし、みだらな威信政治の一幕にしてしまった」と書いた。[ 57 ]
結果は、普段の冷静な科学的表現に典型的なものであり、中性子の存在は指摘されたものの、その発生源については強い主張はなかった。[ 47 ]発表前日、ハーウェルの所長であるコッククロフトは、英国の報道陣に結果を紹介するため記者会見を開いた。当時としては珍しいことであったBBCテレビの取材班が出席していたことからも、この出来事の重要性がうかがえる。 [ 75 ]彼はまず核融合プログラムとZETA装置を紹介し、次に次のように述べた。
トロイダル放電に関するすべての実験において、熱核反応が進行している場合に予想される数とほぼ同数のニュートロンが観測されている。しかし、ロシアや他の研究所で行われたこれまでの実験から、電流チャネルの不安定性によって重水素を加速し、ニュートロンを生成する強い電場が発生する可能性があることはよく知られている。したがって、ニュートロンが500万度程度の温度に関連した重水素のランダムな運動によるものであると明確に証明され たケースはこれまで一度もない。しかし、電流と温度を上げて生成されるニュートロンの数を増やすことができれば、その起源は明らかになるだろう。
—ジョン・コッククロフト、1958年1月24日[ 76 ]
会議に出席した記者たちはこの評価に満足せず、コッククロフトに中性子の問題について問い詰め続けた。何度か質問された後、彼は最終的に、自分の意見では、それらは核融合によるものだと「90パーセント確信している」と述べた。[ 76 ]これは賢明ではなかった。ノーベル賞受賞者の意見表明が事実の表明として受け止められたからである。[ 75 ]翌日、日曜版の新聞は、ZETAで核融合が達成されたというニュースで一面を飾り、英国が核融合研究で大きくリードしているという主張がしばしば見られた。コッククロフトは発表後、テレビでさらに結果を誇張し、「英国にとって、この発見はロシアのスプートニクよりも偉大だ」と述べた。[ 77 ] [ 78 ]
計画通り、米国も小型ピンチマシンからの大量の結果を公表した。それらの多くも中性子を放出していたが、ZETAははるかに長い期間安定し、約1000倍もの中性子を生成していた。[ 79 ]英国での成功について質問された際、ストラウスは米国が核融合競争で遅れをとっていることは否定した。この話題を報道する際、ニューヨーク・タイムズはロスアラモスのコロンバスIIに焦点を当て、記事の後半でZETAに言及し、両国は「互角」であると結論付けた。[ 80 ]米国からのその他の報道は、概して両プログラムを同等に支持していた。[ 81 ]世界の他の地域の新聞は英国に好意的であり、ラジオ・モスクワは米国の結果には全く触れずに英国を公に祝福するに至った。[ 57 ]
ZETAが引き続き好結果を出していたため、後継機を建造する計画が立てられた。新しい設計は5月に発表された。ZETA IIは1,400万米ドルのかなり大型の 装置で、明確な目標は1億Kに到達し 、正味の電力を生成することだった。[ 57 ]この発表は米国でも称賛を集め、ニューヨーク・タイムズ紙は新バージョンについての記事を掲載した。[ 82 ] ZETAに似た装置が世界中で発表されていた。大阪大学はピンチマシンがZETAよりもさらに成功したと発表し、アルダーマストンチームはわずか2万8,000米ドルのSceptre装置で好結果を発表し、ウプサラ大学では新しい原子炉が建造され、その年の後半に一般公開された。[ 54 ]レニングラードのエフレモフ研究所は、ZETAの小型版（それでもほとんどの装置よりは大きい）であるAlphaの建造を開始した。[ 83 ]
スピッツァーは、既知の理論によればゼータは研究チームが主張する温度には到底及ばないと既に結論付けており、研究発表をめぐる宣伝活動の中で、「何らかの未知のメカニズムが関与していると思われる」と示唆した。[ 80 ]米国の他の研究者、特にファースとコルゲートははるかに批判的で、耳を傾ける者なら誰にでも、この結果はでたらめだと告げた。[ 80 ]ソビエト連邦では、レフ・アルツィモヴィチがネイチャー誌の記事を急いで翻訳させ、それを読んだ後、「くだらない！」と叫んだ。[ 84 ]
コッククロフトは、装置から受け取る中性子の数が少なすぎて、スペクトルや方向を測定できないと述べていた。[ 76 ]測定できなかったということは、中性子がプラズマ中の電気的効果によって放出されている可能性、つまりクルチャトフが先に指摘したような反応の可能性を排除できないことを意味していた。[ 85 ]
実際、そのような測定は容易にできたはずだった。[ 85 ] ZETAを収容していた同じ改造格納庫には、バジル・ローズが率いるハーウェル・シンクロサイクロトロン計画があった。この計画では、サイクロトロンの主検出器として高感度高圧拡散霧箱が構築されていた。ローズは、それが中性子のエネルギーと軌道を直接測定できると確信していた。[ 85 ]
1958年2月と3月に行われた一連の実験で、彼は中性子が強い方向性を持っていることを示した。これは、ランダムな方向に向かっていると予想される核融合起源とは矛盾する。これをさらに実証するために、彼は放電電流を「逆方向」に流して装置を稼働させた。中性子が核融合によるものであれば、正味速度はゼロ、つまりランダムな方向に移動しているはずである。[ 86 ]測定結果はそうではないことを示しており、放出には明確な方向性があるだけでなく、電流を反転させると方向性も反転した。これは、中性子がプラズマ内部の核融合反応ではなく、電流自体の結果であることを示唆している。[ 85 ] [ 87 ] [ 88 ]また、中性子のエネルギーがDD核融合反応のエネルギーに非常に近いことも指摘されており、これは発生源が原子炉内の固体に衝突するD粒子であることを示唆している。[ 86 ]
これに続いて、パーパセイトロンとコロンバスでも同様の実験が行われ、同じ問題が実証された。[ 85 ]問題は、プラズマ中の波状信号によって引き起こされる「微小不安定性」またはMHD不安定性という新しい形態の不安定性であった。[ 89 ]これらは予測されていたが、キンクはプラズマ全体の規模で写真で容易に確認できたのに対し、これらの微小不安定性は小さすぎて動きが速すぎて容易に検出できず、これまで単に気づかれていなかっただけであった。しかし、キンクと同様に、これらの不安定性が発生すると、巨大な電位領域が発生し、その領域の陽子が急速に加速された。これらはプラズマ中または容器壁の中性子と衝突し、中性子核破砕によってそれらを放出することがあった。[ 90 ]これは、以前の設計で中性子を生成していたのと同じ物理的プロセスであり、コッククロフトがプレスリリースで言及した問題であったが、その根本原因はより見つけにくく、ZETAでははるかに強力であった。安定した挟み込みの約束は消え去った。[ 85 ]
コッククロフトは1958年5月16日に屈辱的な撤回を発表せざるを得なくなり、「それは我々が期待していた通りの働きをしており、我々が望んでいた通りの働きをしている」と主張した。[ 91 ]ル・モンド紙は6月にこの問題を一面トップ記事で取り上げ、「6か月前にハーウェルで発表されたこととは裏腹に、英国の専門家は熱核エネルギーが『国内化』されていないことを確認した」と報じた。[ 92 ]この出来事は分野全体に冷ややかな印象を与えた。愚かに見えたのは英国だけではなく、核融合研究に関わっていた他のすべての国もすぐにこの流れに乗っていた。[ 92 ]
1955年から、[ 93 ]コッククロフトは、複数の試作型発電用核分裂炉を建設するための新しい場所の設立を強く主張した。これにクリストファー・ヒントンが強く反対し、この問題に関して英国原子力公社内で激しい議論が巻き起こった。[ g ]コッククロフトは最終的に議論に勝利し、1958年後半に英国原子力公社はドーセットにAEEウィンフリスを設立し、そこで最終的にいくつかの実験用原子炉設計を建設した。[ 95 ]
コッククロフトは、ZETA II 原子炉を新設地に収容するよう強く主張した。彼は、ウィンフリスの方が大型原子炉の建設に適しており、非機密地は、現在非機密となっている研究により適していると主張した。これが、「ハーウェルの個人主義的な科学者たちが起こしうる限りの反乱に近いもの」と評される事態につながった。[ 96 ]トーネマンは、ドーセットへの移転には興味がないことを明確にし、他の数名の高位メンバーも移転するより辞任するだろうと示唆した。その後、彼はプリンストン大学に1 年間のサバティカル休暇を取った。この一連の出来事は、 1959 年 10 月にコッククロフトがケンブリッジ大学に新設されたチャーチル カレッジの学長に就任するために去った際に研究部門を引き継いだバジル ションランドにとって大きな負担となった。[ 97 ]
この間に、当初の ZETA II の提案はますます大きくなり、最終的には数年後に建設されたJoint European Torusと同等の強力な電流を指定するようになりました。 [ 97 ]これは最先端技術を超えているように思われたため、[ 98 ]このプロジェクトは最終的に 1959 年 2 月に中止されました。[ 99 ]すぐに新しい提案、中間電流安定性実験(ICSE) がそれに取って代わりました。[ 83 ] [ 100 ] ICSE は、M 理論で発見されたさらなる安定化効果を利用するように設計されました。M 理論では、非常に速いピンチによって電流がプラズマの外層のみを流れるようになり、外層ははるかに安定するはずだと示唆されていました。時間の経過とともに、この装置は ZETA とほぼ同じ大きさに成長しました。ICSE は、 主径 6 m、副径 1 m で、 100 kV で 10 MJ を蓄えるコンデンサバンクによって駆動されていました。[ 100 ]
ハーウェルは、ZETA II と同様に ICSE にも不向きだったため、ショーンランドはハーウェルの近くに新しい核融合研究施設を建設するというアイデアを政府に持ちかけた。ハーウェルの雇用が制限され、給与名簿の管理が複雑になりすぎていたため、政府がこのアイデアに賛成したことに彼は驚いた。さらに調査した結果、新しい施設を建設する費用は、施設をハーウェルの近くに維持することによる節約で相殺されることがわかった。ICSE がウィンフリスに建設された場合、施設間の移動コストは相当なものになる。1959 年 5 月、UKAEA はハーウェルから約10 マイル (16 km)離れたRNAS カルハムを購入した。[ 95 ] ICSE の建設はその年の後半に始まり、まずそれを収容するための 1 エーカーの建物「D-1」から始まった。[ 100 ]
一方、ZETAでは、新たな不安定性の原因をより深く理解するための研究が続けられた。新しい診断技術により、電子エネルギーは10 eV（約100,000 K）程度と非常に低い一方、イオン温度は100 eVとやや高いことが明らかになった。これらの結果は、プラズマ中のエネルギーが急速に失われていることを示しており、ひいては燃料が乱流状態にあり、閉じ込められた状態から脱出してチャンバーの壁に衝突し、そこで急速に冷却されていることを示唆していた。1961年のザルツブルク会議で、これらの結果が詳細に発表され、ソ連代表団はZETAのクローンであるAlphaで非常によく似た結果を発表した。[ 83 ]
この乱流の原因は当時明確には特定されていなかったが、チームは電流駆動抵抗モードによるものだと示唆した。プラズマに巨視的な抵抗がないという単純化された仮定を用いなければ、新たな不安定性が自然に現れるはずだった。UKAEAの新長官ウィリアム・ペニーは、ICSEの設計も抵抗がないという仮定に基づいていることを知ると、1960年8月にプロジェクトを中止した。[ 101 ]部分的に組み立てられた原子炉の部品は、他のチームによって回収された。[ 102 ]
この時点でトーネマンは戻ってきており、ICSE には多くの点で意見の相違があることに気づいた。彼はハーウェルの ZETA に残る新しい核融合グループを設立することを要求した。[ 103 ] ZETA はしばらくの間世界最大のトロイダルマシンであり続け、[ 83 ] 10 年強にわたって生産的なキャリアを積んだが、その後の成功にもかかわらず、ZETA は常に英国の愚行の例として知られていた。[ 92 ] [ 104 ]
ZETAの失敗は情報が限られていたためである。入手可能な最良の測定値を使用して、ZETAは中性子が核融合によるものであることを示唆するいくつかの信号を返していた。当初の温度測定は、プラズマ中の原子のスペクトル線のドップラー広がりを調べることによって行われた。[ 65 ]測定の不正確さと、容器への電子の衝突によって引き起こされる偽の結果により、プラズマ自体ではなく不純物に基づく誤った測定が行われた。その後10年間、これらの問題を解決するためのより優れた診断ツールの開発の取り組みとして、ZETAは継続的に使用された。[ 105 ]
この研究は最終的に、今日まで使用されている方法を開発した。レーザーの導入により、トムソン散乱による新しい解決策がもたらされた。レーザーは非常に正確で安定した周波数制御が可能であり、放出される光は自由電子と強く相互作用する。プラズマに照射されたレーザーは電子によって反射され、この過程で電子の運動によってドップラー広がりを受ける。電子の速度は温度の関数であるため、衝突前後の周波数を比較することで、電子の温度を非常に高い精度で測定できる。[ 106 ]システムを「反転」させることで、イオンの温度も直接測定できる。[ 107 ]
1960年代を通して、予期せぬ性能問題に悩まされた実験はZETAだけではなかった。磁場を横切るプラズマ拡散の問題は、磁気ミラーとステラレータの両方の計画を悩ませ、その速度は古典理論では説明できなかった。[ 108 ]磁場を増やしても、既存の設計のいずれにおいても問題は解決されなかった。世界中のチームが装置内のプラズマの物理をよりよく理解しようとしたため、作業は劇的に遅れた。PfirschとSchluterは、これらの問題を解決するにははるかに大きく強力な装置が必要になると示唆し、大きな進歩を遂げた最初の人物だった。[ 109 ]悲観的な態度が分野全体に根付いた。[ 110 ]
1968年、ノボシビルスクで核融合研究者の会議が開かれ、ソ連側がトカマク設計に関する研究を発表したことで、誰もが驚いた。その性能数値は、他のどの実験も到底及ばないものであった。[ 111 ]彼らの最新の設計であるT-3は、ZETAの約10 eVに対し、 1000 eVの電子エネルギーを生成していた。 [ 83 ] [ 112 ]これは、プラズマ温度が約1000万Kに相当する。 [ 106 ]ソ連チームは高く評価されていたが、結果があまりにも良好であったため、間接的な温度測定が信頼できないのではないか、ZETAで発生したような測定上の問題に陥っているのではないかという深刻な懸念が生じた。[ 110 ]スピッツァーは再びかなり強い懐疑を表明し、アルツィモヴィッチとの激しい議論を引き起こした。[ 113 ] [ 114 ]
ソ連側もこの点について同様に懸念しており、冷戦の真っ只中であったにもかかわらず、アルツィモヴィッチはUKAEAにレーザーシステムをクルチャトフ研究所に持ち込み、独自に性能を測定するよう依頼した。[ 115 ]アルツィモヴィッチは以前、彼らのシステムを「素晴らしい」と評していた。[ 116 ]このチームは「カルハム・ファイブ」として知られるようになり、[ 106 ] 1968年末から1969年初頭にかけて一連の測定を行った。その結果の論文は1969年11月に発表され、[ 117 ]核融合研究分野に、トカマクがソ連が主張する性能レベルに実際に達していることを確信させた。その結果、世界中でトカマク建設が「まさに殺到」し、[ 89 ]核融合分野で最も研究されている装置であり続けている。[ 13 ]
トカマクはトロイダルピンチマシンです。主な違いは磁場の相対的な強さです。[ 112 ]安定化ピンチマシンでは、プラズマ内の磁場の大部分はプラズマに誘導される電流によって生成されていました。外部安定化磁場の強さははるかに低く、プラズマ塊の外層にしか浸透しませんでした。トカマクではこれが逆転し、外部磁石ははるかに強力で、プラズマ電流はそれに比べて大幅に減少しました。アルツィモヴィッチは次のように述べました。
縦方向の磁場強度は、電流によって生成される方位角方向の磁場強度よりも何倍も大きくなければならない。これが、トカマク装置と、よく知られているイギリスのゼータ装置のような比較的弱い縦方向の磁場を持つシステムとの主な違いである。[ 89 ]
この差は今日では安全係数と呼ばれる一般的な概念の一部であり、q と表記される。放電中に安定性を維持するには 1 より大きい必要があり、ZETA では約 1/3 であった。ZETA型の装置はこの q に到達できるが、電流によって生成される同じくらい大きな磁場に匹敵する非常に強力な外部磁石が必要となる。トカマク方式ではピンチ電流を減らすことでこの問題を解決した。これによりシステムは安定するが、電流をプラズマの加熱に使用できなくなる。トカマク設計では何らかの外部加熱が必要となる。[ 89 ]
1965年、新しく開設されたカルハム研究所は、国際的な核融合研究者の定期的な会合を開催した。発表された研究のうち、安定化ピンチに関する論文は2つだけで、どちらもZETAに関するものだった。スピッツァーは開会の挨拶でそれらに言及しなかった。[ 118 ]
通常、ZETAに送られる電気パルスは、ポアソン分布に似た形状の電流パルスを形成し、急速に上昇してから徐々に低下します。ある論文では、プラズマの安定性は電流が徐々に低下し始めた直後に最大に達し、その後、電流パルス自体よりも長く持続することが指摘されています。電流はプラズマを閉じ込めるためにあることを考えると、電流が減少するにつれてプラズマの閉じ込めが実際に増加するというのは全く予想外のことでした。この現象は「静穏」と呼ばれています。[ 118 ]
3年後、T-3トカマクによるソ連の実験結果が初めて発表された同じ会議で、ロビンソンとキングによる論文が静穏期を検証した。彼らは、静穏期は元のトロイダル磁場が反転し、より安定した構成になったためだと結論付けた。当時、T-3の実験結果の巨大さがこの結果を覆い隠してしまった。[ 119 ]
ジョン・ブライアン・テイラーはこの問題を取り上げ、その概念の詳細な理論的研究を開始し、1974年にこのテーマに関する画期的な論文を発表した。彼は、ピンチを生成する磁場が緩和するにつれて、既存の安定化磁場と相互作用し、自己安定磁場を生成することを示した。この現象は、システムが磁気ヘリシティを維持しようとする欲求によって引き起こされ、閉じ込め時間を改善するいくつかの方法を示唆した。[ 120 ]
安定化力はピンチで得られる力よりも弱かったものの、かなり長く持続した。密度を高めるのではなく閉じ込め時間を延長することで、ローソン基準に異なる方向から近づく原子炉を構築できる可能性が示唆された。これは概念的にはステラレータ方式に似ており、ステラレータよりも磁場強度は低いものの、閉じ込めを維持するために必要なエネルギーははるかに少なかった。今日ではこの方式は逆磁場ピンチ（RFP）として知られており、継続的な研究分野となっている。[ 121 ] [ h ]
テイラーは、逆状態への緩和の研究を通して、磁気ヘリシティと最小エネルギー状態の役割に関するより広範な理論的理解を深め、プラズマダイナミクスの理解を大きく前進させた。最小エネルギー状態は「テイラー状態」として知られ、コンパクトトロイド型における新しい核融合アプローチの理解において特に重要である。テイラーは、最新の高性能トロイダル型装置でプラズマ中に大規模な波形が形成される際に発生する問題であるバルーニング変換の研究を続けた。核融合研究における彼の業績は、1999年のジェームズ・クラーク・マクスウェル賞プラズマ物理学部門を受賞した。[ 123 ]
カルハムは1965年に正式にオープンし、この期間中にさまざまなチームが以前の場所から去り始めました。あるチームは1968年9月までZETAの運用を維持しました。 [ 124 ] [ 125 ] ZETAやその他の機械を収容していた格納庫7は、2005/2006会計年度中に解体されました。[ 126 ]
北緯51度34分48秒、西経1度18分30秒/北緯51.5799度、西経1.3082度/北緯51.5799度、西経1.3082度