Роберт Л. Хирш: Американ физигі және энергия саласындағы тәжірибесі

Кіріспе

Американдық физик Роберт Л. Хирш – 1960 жылдардың соңынан бері энергетикалық мәселелермен айналысып келе жатқан американдық физик. 1970 жылдары ол АҚШ-тың термоядролық энергия бағдарламасын әртүрлі мемлекеттік лауазымдарда басқарды, осы жобаға жауапкершілік Атом энергиясы комиссиясынан Энергияны зерттеу және дамыту басқармасына, ал соңында Энергетика министрлігіне көшті. Одан кейін ол Science Applications International Corporation компаниясында энергетикалық бағдарламаның аға кеңесшісі болды, қазір MISI-де энергетикалық бағдарламаның аға кеңесшісі және энергетика, технология және басқару саласындағы консультант ретінде жұмыс істейді. Оның негізгі тәжірибесі – зерттеу, әзірлеу және коммерциялық қолдану салаларында. Ол мұнай және табиғи газды барлау, мұнай өңдеу, синтетикалық отын, термоядролық және ядролық энергия, жаңартылатын энергия көздері, қорғаныс технологиялары, химиялық талдау және фундаментальды зерттеулер сияқты технологиялық бағдарламаларды басқарды, мысалы, Фарнсворт-Хирш фьюзоры.

Фарнсворт

Мичиган университетінің механикалық инженерия саласында магистр дәрежесін алғаннан кейін, Хирш Atomics International компаниясында жұмысқа орналасып, ULCA-да курстарды оқуын жалғастырды. "Болашақ электроникасының негіздері" атты курста синтез тақырыбына қысқаша тоқталды, ал оның құпиясы ашылғанына бір жыл ғана болған еді. Хирштің қызығушылығы оянды. 1960 жылы физика ғылымдарының докторы болу үшін Atomic Energy Commission (AEC) комиссиясына стипендия сұрады және оны алды. Ол Иллинойс университетінің Урбана-Шампейн қаласындағы жаңадан ашылған ядролық инженерия курсына қабылданды және 1964 жылы бұл сала бойынша мектептің алғашқы PhD дәрежесін алды. PhD-ны аяқтағаннан кейін Хирш Фарнсворт зертханасында жұмыс істеді, онда Фило Фарнсворт жаңа типтегі синтездік энергия жүйесін – фюзорды әзірледі. Фарнсворт плазма физикасына қызығушылық танытпады, ол нақты жұмыс істейтін машина жасағысы келді. Кейін Хирш оның көзқарасын былай деп түйіндеді: "Идеалды жүйелермен қажеттіліктен артық уақыт өткізбеңіз. Нақты проблемаларды мүмкіндігінше жылдам шешуге кірісіңіз". Бұл көзқарас Хирштің ойлау жолына ұзақ уақыт әсер етті. Фарнсворттың басшылығымен екеуі үстел үстіндегі тәжірибелерінде дейтерий мен тритий (D T) нақты синтездік отынын қолдана бастады, ал басқалар әлі де сутегі сияқты арзан сынақ газдарын пайдаланды. Олар сол заманғы басқа құрылғыларға қарағанда көптеген синтездік нейтрондарды алды. 1966 жылдың соңында Фарнсворттың денсаулығы нашарлай бастады, сонымен бірге International Telephone and Telegraph компаниясының қаржыландыруы да азайды. Хиршке AEC-ге синтездік даму бағдарламасы бойынша қосымша қаржыландыру туралы ұсыныс жазу міндеті жүктелді. Ұсынысты дайындауға шамамен бір жыл кетті және ол AEC синтез бөлімінің директоры Амаса Бишоптың үстеліне түсті. Бишоп ақырында ұсынысты қабылдамады, бірақ оның күш-жігеріне әсерленді. Ұсыныс қабылданбағаннан кейін Хирш Фарнсворттағы синтез зерттеулерінің аяқталып қалғанын түсіндіріп, Бишоптан жұмыс сұрады. 1968 жылы ол штаттық физик ретінде жұмысқа қабылданды.

After graduation with a masters in mechanical engineering from the University of Michigan, Hirsch took a job at Atomics International and continued taking courses at ULCA. A course on "Foundations of Future Electronics" briefly touched on the topic of fusion, then only a year since declassification. Hirsch was hooked. He applied to the Atomic Energy Commission (AEC) for a fellowship to take a PhD in physics, which he was awarded in 1960. He entered the University of Illinois at Urbana Champaign's recently created nuclear engineering course and was awarded the school's first PhD in the topic in 1964. After completing his PhD, Hirsch took a job at Farnsworth Labs, where Philo Farnsworth was developing a new type of fusion energy system, the fusor. Farnsworth was not interested in plasma physics, he wanted to build an actual working machine. Hirsch later summarized his attitude as "Don't play around with idealized systems any longer than you absolutely have to. Get to work on the real problems as fast as you can." This attitude had a long lasting impact on Hirsch's thinking. Following Farnsworth's lead, the two began to experiment with a real fusion fuel of deuterium and tritium (D T) in their tabletop experiments, while everyone else was still using cheaper test gasses like hydrogen. They were awarded with copious numbers of fusion neutrons, far more than any other device of the era. In late 1966, Farnsworth's health began to fail, and with it, International Telephone and Telegraph's funding. Hirsch was tasked with writing a proposal to the AEC for further funding under their fusion development program. The proposal took almost a year to prepare and ultimately ended on the desk of the director of the AEC's fusion division, Amasa Bishop. Bishop ultimately rejected the proposal, but was impressed by the effort. After it was rejected, Hirsch concluded that the days of fusion research at Farnsworth were ending, and asked Bishop for a job. He was hired as a staff physicist in 1968.

Тоқамақ

Хирш АЭК-те "жағдайдың нашарлауы" деп аталатын кезеңде жұмыс істеді. 1950 жылдары алғашқы машиналар синтездің салыстырмалы түрде оңай мәселе екенін көрсеткеннен кейін, 1950 жылдардың соңында салынған үлкен машиналардың барлығы да сәтсіздікке ұшырады, себебі отын олардан қатты жылдамдықпен шығып кетіп жатты. Бұл толығымен күтпеген нәрсе емес еді; Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Манхэттен жобасы аясында жүргізілген тәжірибелер мұндай ағып кетудің жиі кездесетінін көрсетті және Бомның диффузия заңына әкелді. Егер бұл рас болса, онда практикалық синтез машинасы жасау мүмкін емес еді. Көптеген зерттеушілер Бомның шегі фундаменталды емес, тек қана аталған машиналардың қосымша салдары деп қорытындылады. Бірақ 1960 жылдары, ешқандай жақсартулар байқалмағанда, тіпті синтездің ең жақтаушыларының бірі – Лайман Спитцер де Бом диффузиясы заң екендігіне келісім берді. Бірақ 1969 жылы жағдайдың соншалықты үмітсіз емес екенін көрсететін белгілер пайда болды. 1965 жылы Ұлыбританияда өткен халықаралық синтез жиынында кеңес зерттеушілері токамак деп аталатын жаңа типтегі машинадан алдын ала деректер ұсынды, олар Бомның шегін еңсеріп жатқандарын мәлімдеді. Бұл мәселе жиынға қатысушылардың басқа топтары тарапынан бірден жоққа шығарылды. Содан кейін, 1968 жылы General Atomics компаниясында салынған американдық машина – көпполюсті машина да осы шекті шамамен 20 есеге арттырды. 1968 жылдың жазында өткен келесі халықаралық синтез жиынында кеңес тарапы өздерінің токамактерінен алынған деректерді тағы үш жылдық кезең үшін ұсынды, олар Бомды 50 есе жеңіп, басқа машиналарға қарағанда 100 есе жоғары температураны өндірді. Кеңес тарапының нәтижелері тағы да күмәнмен қабылданды, бірақ бұл жолы Лев Арцимович дайын болды. Осы кезеңде Ұлыбританияның синтез топтары лазерлерді қолдана отырып, жаңа диагностикалық әдіс әзірледі, оны Арцимович "тамаша" деп атады. Ол команданы осы жүйені Ресейге, олардың бомба жасау зертханаларының ортасына, өздерінің өлшеулерін жүргізу үшін әкелуге шақырды. 1969 жылдың жазында "Кулхэм бестігі" командасы АЭК-ке құпия телефон арқылы хабарласты: машина жұмыс істеді, тіпті кеңестік өлшеулерден де жақсы нәтижелер көрсетті. Нәтижелер АҚШ зертханаларына жеткенде, Хирш көптеген қарсылықтарға ұшырап, көңілі қалды. Атап айтқанда, Принстон плазма физикасы зертханасының Гарольд Фурт нәтижелерге қатысты шағымдарын жалғастырып, Хирштің ашуын тудырды. Фурттың басшысы Мел Готтлиб оны өздерінің C модельді жұлдызшасын токамакқа айналдыруға көндірді, тіпті егер ол кеңестік тараптың қателігін дәлелдеу үшін болса да. Бірақ ол бұлай болған жоқ, жаңадан қайта аталған Симметриялық Токамак нәтижелердің дұрыс екенін тағы да растады. 1969 жылдың қазанында Бишоп бес жаңа токамак жобасын бекітті.

Hirsch started at the AEC during a period of time known as "the doldrums". After early machines in the 1950s suggested that fusion was a relatively simple matter, larger machines build during the later 1950s universally failed as the fuel was found to leak from them at furious rates. This was not entirely unexpected; during World War II experiments during the Manhattan Project suggested such leakage was common and led to the Bohm diffusion rule. If true, a practical fusion machine was likely impossible. Most researchers concluded that the Bohm limit was not fundamental and simply a side effect of the particular machines in question. But by the 1960s, with no improvements in sight, even Lyman Spitzer, one of fusion's greatest proponents, eventually concluded Bohm diffusion was a law. But by 1969 there were signs things were not so hopeless. In 1965 during an international meeting on fusion in the UK, Soviet researchers presented preliminary data from a new style of machine known as the tokamak that they suggested was beating the Bohm limit. This was dismissed out of hand by the other teams at the meeting. Then, in 1968, a US machine known as the multipole built at General Atomics also clearly beat the limit, by about 20 times. At the next international fusion meeting in the summer of 1968, the Soviets presented three more years of data from their tokamaks that showed them beating Bohm by 50 times and producing temperatures about 100 times that of other machines. Once again the Soviet results were met with skepticism, but this time Lev Artsimovich was ready. During this period the UK fusion teams had been developing a new diagnostic technique using lasers that Artsimovich had already publicly called "brilliant". He invited the team to bring the system to Russia, to the heart of their bomb making labs, to make their own measurements. The team, "the Culham Five" made a confidential call to the AEC in the summer of 1969: the machine worked, it was even better than the Soviet measurements. When the results were made known to the US labs, Hirsch was upset to find considerable pushback. In particular, Harold Furth of the Princeton Plasma Physics Laboratory continued to make a string of complaints about the results to the point of raising Hirsch's ire. Furth's boss, Mel Gottlieb, eventually convinced him to convert their Model C stellarator to a tokamak, even if just to prove the Soviets wrong. It didn't; the newly rechristened Symmetric Tokamak proved the results correct once again. By October 1969, Bishop had approved five new tokamak projects.

Директорлық

Бишоп Хирш жұмысын бастамас бұрын AEC-ден кететінін айтқан. Бұл күн жақындаған сайын және Хирш оның орнын басуға ең лайықты кандидат болғандықтан, екеуі қаржыландыру мәселесінде дауласты. Екі зертхана бір-бірдей машина – сфератор құралы үшін қаржы сұрағанда, Бишоп бастапқыда тек біреуін ғана қаржыландырды. Кейін Хирш екінші зертхананың да құрылысын бастағанын білді. Хирш Бишоптан жобаны тоқтатып, зертханаларды бақылауға алуын талап етті, бірақ ол бас тартқан соң, Хирш AEC басшылығын асырып түсіп, нәтижеге қол жеткізе алмады. 1970 жылы Бишоп қызметтен кеткенде, Хиршке лауазым бермеуді ұсынды, оның орнына Калтехтен келген Рой Гулдқа берілді. Гулд та зертханаларға қарызы болған, бірақ Хиршке жетекшілікке мүмкіндік берді. 1971 жылы Хирш Конгреске бөлімнің соңғы жаңалықтарын ұсынды және қаржыландыру артса, 1995 жылы коммерциялық үлгідегі зауыт іске қосылуы мүмкін екенін жариялады. Осы жылдары Хирш Вашингтон айналымында кең танылды. Гулд бұл лауазымда аз ғана уақыт болды және 1972 жылдың жазында Калтехке қайтып оралды. Ол да Хиршке лауазым бермеуді ұсынды, бірақ Хирш бұл кезде ықпалды одақтастар тапқан еді. Гулд шешімін жариялағаннан кейін, Хиршті AEC директоры Джеймс Шлезингердің көмекшісі Споттфорд Инглиш шақырып алып, Инглиштің Хирштің кандидатурасын ұсынатынын айтты. Шлезингермен аяқталған бірнеше сұхбаттан кейін, Хирш 1972 жылы синтез бөлімінің директоры болды. Сонымен бірге Вашингтонда бірқатар өзгерістер болып өтті. Шлезингердің орнын Dixy Lee Ray басты, ол синтез бағдарламасын жақтап сөйледі. Содан кейін 1973 жылдың маусым айында Ричард Никсон AEC-тің баламалы энергия бюджеті күрт өсетінін және оны қалай жұмсау керегін Рейге шешетінін мәлімдеді. 1972 мен 1977 жылдар аралығында синтез бюджеті 32 миллион доллардан 112 миллион долларға дейін өсті.

Плазманы жағу күш-жігері

Хирш төрағалық лауазымына келген соң, бағдарламаны Q=1 мәніне жететін машина жасау мақсатына қайта бағыттауға жылдам кірісті. Бұл Конгрессті бағдарламаны қаржыландыруды жалғастыруға көндіретін нақты жетістік болар еді, бірақ реактор DT отынымен жұмыс істеуі керек еді, бұл мәселені қиындатар еді. Сонымен қатар, Oak Ridge Ұлттық зертханасының ғалымдары плазманы қыздыру әдісі ретінде бейтарап сәулелерді енгізуді сәтті іске асырды, бұл токамак үшін қажет болды, себебі ол плазмасын синтез үшін қажетті температураға дейін өзі қыздыра алмайды. Хирш мұны «маңызды табыс» деп жариялап, ірі токамак жобасын дамыту үшін аргумент ретінде пайдалануға шешім қабылдады. Зертханалар бұл әрекетке күмәнмен қарады және оны жарнамалық трюк деп есептеді. Жану машинасына қадам сабатын үлкен машина құруға қызығушылық танытқан жалғыз зертхана – Оук Ридж болды, оларда басқа ешқандай маңызды жоспарлар жоқ еді. Олар қызығушылық білдірген соң, Принстон командасы тез келісіп, өздерінің үлкен машина нұсқасын ұсынды. Оук Ридж бірнеше сараптамадан сүрегіп, соңғы жоспары әлдеқайда қымбат болғаннан кейін, 1974 жылы Принстонның жобасы жеңіске жетті. Жаңа машина Токамак Fusion сынақ реакторы атанды. 1975 жылы Рей АЭК-ті екіге бөлді: бір бөлігі ядролық электр станцияларын лицензиялау және сертификаттаумен айналысатын Ядролық реттеу комиссиясына, ал қалған бөлігі – Энергияны зерттеу және дамыту басқармасына (ERDA) айналды, оның құрамында энергияны зерттеу және ядролық қаруды жетілдіру жұмыстары болды. 1976 жылдың сәуір айында президент Форд Хиршті ERDA ішіндегі энергияны дамыту бөлімінің директоры етіп тағайындады. Бұл оны термоядролық синтез бағдарламасын тікелей бақылаудан алып тастады, ол оның көмекшісі Эд Кинтерге жүктелді. Бірақ көп ұзамай президент Картер билікке келді, және жаңа әкімшілік термоядролық синтез бюджетін қысқарта бастады, оны уақыт өте келе созуды көздеді. Картер Шлезингерді директорлыққа қайта тағайындады, ал Хирш онымен кездескенде, егер қаласа, олар оған қызмет табатынын айтты. Алайда, кіріп келе жатқан әкімшіліктің басқа шенеуніктерге жасаған қатысынан кейіп көрген ол, Exxon ұсынған қызметті қабылдап, 1977 жылы ERDA-дан кетіп қалды.

In the chair position, Hirsch quickly moved to redirect the entire program to the goal of producing a machine that would reach the goal of breakeven, or Q=1. Doing so would be a tangible advance that could convince Congress to continue funding the program, although to do so the reactor would have to run on D T fuel, which would complicate matters. At the same time, researchers at Oak Ridge National Laboratory had successfully implemented neutral beam injection as a method of heating a plasma, something that would be needed for a tokamak as it does not self heat its plasma to fusion relevant temperatures. Hirsch decided to announce this as a "major breakthrough" and use it as an argument for a major tokamak development program. The labs were highly sceptical of the breakeven effort and considered it to be a publicity stunt. The only lab that seemed interested in building a large machine, a stepping stone to a burning machine, was Oak Ridge, who otherwise had no major future programs planned. As they expressed interest, the Princeton team quickly acquiesced and also introduced their version of a larger machine. After Oak Ridge flubbed several reviews and their final plan was much more expensive, Princeton's design won the contest in 1974. The new machine became the Tokamak Fusion Test Reactor. In 1975, Ray split the AEC in two; one half became the Nuclear Regulatory Commission to handle licensing and certification of nuclear power plants, while the rest became the Energy Research and Development Administration, or ERDA, including energy research and ongoing nuclear weapon development. In April 1976, President Ford promoted Hirsch to direct the energy development division within ERDA. This removed him from direct control over the fusion program, which was handed to his assistant, Ed Kinter. Soon after, President Carter took office and the new administration began cutting the fusion budget with an eye to stretching it out over time. Carter put Schlesinger back in the directorship, and when Hirsch met with him he was told they would find a position for him if he wanted. However, upset by the treatment of other officials by the incoming administration, he instead decided to accept an offer from Exxon, and resigned from ERDA in 1977.

Энергетика саясаты

2008 жылы Хирш әлемдік мұнай қорының азаюы әлемдік ЖІӨ-нің пропорционалды түрде төмендеуіне себеп болды деді. Оның жеңілдету жоспарлау аясындағы ұсыныстары:
"(1) Ең жақсы жағдай – әлемдік мұнай өндірісінің ең жоғары деңгейге жеткеннен кейін, жылына 2–5% тұрақты төмендеу басталар алдында бірнеше жылға созылатын тегіс деңгейде қалуы; (2) Орташа жағдай – әлемдік мұнай өндірісі ең жоғары деңгейге жетеді, содан кейін ұзақ мерзімді, жылына 2–5% тұрақты төмендеуге түседі; және соңында (3) Ең нашар жағдай – мұнай экспорттаушы елдердің мұнайды сақтап қалуы орташа жағдайдың ең жоғары деңгейін нашарлатып, әлемдік мұнай тапшылығының жылына 2–5%-дан тез өсуіне алып келіп, әлемдік экономикаға ең ауыр салдарларды тудырады."

Марапаттар

Хирш 2009 жылы ASPO USA ұйымынан М. Кинг Хабберт сыйлығымен марапатталды.

Жарияланымдар

Хирш 14 патенттің және энергия саласында 50-ден астам жарияланымның авторы. Хирштің есебін қараңыз.

Хирш, Роберт Л., Роджер Х. Бездек, Роберт М. Вендлинг. Жаһандық энергия дағдарысы: мәні мен сізге тиетін әсері. Apogee Prime, 2010.