Роберт Л. Хирш: Путь пионера в энергетике и термоядерном синтезе.

Введение

Американский физик Роберт Л. Хирш – американский физик, который занимается вопросами энергетики с конца 1960-х годов. В 1970-х годах он руководил американской программой по термоядерной энергии, занимая различные правительственные должности, по мере того как ответственность за проект переходила от Комиссии по атомной энергии к Управлению по исследованиям и разработкам в области энергетики и, наконец, к Министерству энергетики. После этого он был старшим консультантом по энергетическим программам в компании Science Applications International Corporation, а затем стал старшим энергетическим советником в MISI и консультантом в области энергетики, технологий и управления. Его основной опыт связан с исследованиями, разработками и коммерческим применением технологий. Он руководил технологическими программами в области разведки и переработки нефти и природного газа, производства синтетического топлива, термоядерного и ядерного синтеза, возобновляемых источников энергии, оборонных технологий, химического анализа и фундаментальных исследований, например, в области фузора Фарнсворта-Хирша.

Фарнсворт

После окончания магистратуры по машиностроению в Университете Мичигана, Хирш устроился на работу в Atomics International и продолжил обучение в ULCA. Курс "Основы будущей электроники" вкратце коснулся темы термоядерного синтеза, который был рассекречен всего годом ранее. Хирш увлекся этой темой. Он подал заявку в Комиссию по атомной энергии (AEC) на получение стипендии для обучения в докторантуре по физике, которую и получил в 1960 году. Он поступил на недавно созданный курс ядерной инженерии в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн и в 1964 году стал первым доктором наук в этой области в этом учебном заведении. После защиты диссертации Хирш устроился в лабораторию Фарнсуорта, где Фило Фарнсуорт разрабатывал новый тип термоядерной энергетической системы – фузор. Фарнсуорт не интересовался физикой плазмы, он хотел создать реально работающее устройство. Позже Хирш сформулировал его подход так: "Не тратьте время на идеализированные системы дольше, чем абсолютно необходимо. Приступайте к решению реальных проблем как можно быстрее". Этот подход оказал длительное влияние на мышление Хирша. Следуя примеру Фарнсуорта, они начали экспериментировать с реальным термоядерным топливом – дейтерием и тритием (D-T) – в своих настольных экспериментах, в то время как другие использовали более дешевые тестовые газы, такие как водород. Они получили большое количество термоядерных нейтронов, значительно больше, чем любое другое устройство того времени. В конце 1966 года здоровье Фарнсуорта начало ухудшаться, что привело к сокращению финансирования со стороны International Telephone and Telegraph. Хиршу было поручено подготовить предложение для AEC о дальнейшем финансировании в рамках программы развития термоядерного синтеза. Подготовка предложения заняла почти год и в итоге оказалась на столе директора отдела термоядерного синтеза AEC, Амасы Бишопа. Бишоп в конечном итоге отклонил предложение, но был впечатлен проделанной работой. После отклонения Хирш пришел к выводу, что исследования в области термоядерного синтеза в лаборатории Фарнсуорта подходят к концу, и попросил Бишопа о работе. В 1968 году он был принят на должность штатного физика.

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.

Токамак

Хирш начал работать в AEC в период, известный как "застой". После того как первые установки в 1950-х годах показали, что термоядерный синтез – относительно простая задача, более крупные машины, построенные в конце 1950-х годов, повсеместно потерпели неудачу, поскольку топливо утекало из них с огромной скоростью. Это не было полной неожиданностью; эксперименты, проведенные во время Манхэттенского проекта во время Второй мировой войны, показали, что такая утечка была обычным явлением и привела к правилу диффузии Бома. Если это было правдой, то создание практической установки для термоядерного синтеза было маловероятным. Большинство исследователей пришли к выводу, что предел Бома не является фундаментальным и является лишь побочным эффектом конкретных машин. Но к 1960-м годам, не наблюдая никаких улучшений, даже Лайман Спитцер, один из главных сторонников термоядерного синтеза, в конечном итоге пришел к выводу, что диффузия Бома – это закон. Однако к 1969 году появились признаки того, что ситуация не так безнадежна. В 1965 году на международной конференции по термоядерному синтезу в Великобритании советские исследователи представили предварительные данные о новом типе установки, известной как токамак, которая, по их утверждению, преодолевала предел Бома. Другие команды на конференции отвергли эти данные. Затем, в 1968 году, американская установка, известная как многополюсная, построенная в General Atomics, также явно превысила этот предел, примерно в 20 раз. На следующей международной конференции по термоядерному синтезу летом 1968 года советские ученые представили данные за три года, полученные с их токамаков, которые показали, что они превышают предел Бома в 50 раз и достигают температур примерно в 100 раз выше, чем в других установках. Советские результаты снова встретили со скептицизмом, но на этот раз Лев Арцимович был готов. В этот период британские группы, занимающиеся термоядерным синтезом, разрабатывали новую диагностическую технику с использованием лазеров, которую Арцимович уже публично назвал "блестящей". Он пригласил команду привезти систему в Россию, в самое сердце их лабораторий по созданию бомб, чтобы они могли провести собственные измерения. Команда, получившая название "Кульхэмская пятерка", конфиденциально связалась с AEC летом 1969 года: машина работала, и даже превосходила советские измерения. Когда результаты стали известны американским лабораториям, Хирш был возмущен значительным сопротивлением. В частности, Гарольд Фурт из Принстонской лаборатории физики плазмы продолжал выдвигать ряд претензий к результатам, что привело Хирша в ярость. Начальник Фурта, Мел Готлиб, в конце концов убедил его переоборудовать их звездолет Модели C в токамак, хотя бы для того, чтобы доказать неправоту советских ученых. Но это не удалось; вновь переименованный симметричный токамак в очередной раз подтвердил правильность результатов. К октябрю 1969 года Бишоп одобрил пять новых проектов токамаков.

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.

Директорство

Бишоп намекнул, что покинет AEC еще до того, как Хирш приступил к работе. По мере приближения этой даты и того, как Хирш стал очевидным кандидатом на его замену, между ними возник спор из-за финансирования. Когда две лаборатории подали заявки на финансирование для создания идентичных машин – сфераторов – Бишоп изначально одобрил финансирование только одной. Позже Хирш узнал, что вторая лаборатория также начала строительство. Хирш потребовал от Бишопа отменить проект и взять лаборатории под контроль, но когда тот отказался, Хирш попытался обойти его в AEC, однако безуспешно. В 1970 году, уходя в отставку, Бишоп рекомендовал не назначать Хирша на свою должность, которую вместо этого предложили Рою Гулду из Калтеха. Гулд также был под влиянием лабораторий, но был более склонен предоставить Хиршу возможность возглавить работу. В 1971 году именно Хирш представил Конгрессу последние данные о работе подразделения и публично заявил, что при увеличении финансирования коммерческая демонстрационная установка может быть запущена в 1995 году. За эти годы Хирш стал хорошо известен в вашингтонских кругах. Гулд занимал эту должность недолго и ушел в Калтех летом 1972 года. Он также высказался против назначения Хирша, но к тому времени Хирш уже заручился поддержкой влиятельных союзников. Вскоре после объявления Гулда о своем решении Хирша вызвал Спотфорд Инглиш, помощник директора AEC Джеймса Шлезингера, и сообщил, что будет рекомендовать Хирша на эту должность. После серии собеседований, завершившихся встречей с Шлезингером, Хирш возглавил отдел термоядерного синтеза в 1972 году. Примерно в то же время в Вашингтоне произошли ряд изменений. Шлезингера вскоре сменила Дикси Ли Рэй, которая активно поддерживала программу термоядерного синтеза. Затем, в июне 1973 года, Ричард Никсон объявил о значительном увеличении бюджета AEC на альтернативную энергетику и предоставил Рэю право решать, как его расходовать. В период с 1972 по 1977 год бюджет на термоядерный синтез вырос с 32 миллионов до 112 миллионов долларов.

Усилия плазмы горения

Находясь на посту председателя, Хирш быстро перенаправил всю программу на достижение цели создания машины, способной выйти на самоподдерживающуюся реакцию, или Q=1. Это стало бы ощутимым прогрессом, который мог бы убедить Конгресс продолжить финансирование программы, хотя для этого реактору пришлось бы работать на топливе D-T, что усложнило бы задачу. В то же время исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж успешно внедрили метод нагрева плазмы с помощью инжекции нейтральных пучков, что было необходимо для токамака, поскольку он не способен самостоятельно нагреть плазму до температур, необходимых для термоядерного синтеза. Хирш решил объявить об этом как о "значительном прорыве" и использовать это в качестве аргумента в пользу масштабной программы развития токамаков. Лаборатории отнеслись к усилиям по достижению самоподдерживающейся реакции крайне скептически, считая это пиар-ходом. Единственной лабораторией, проявившей интерес к созданию крупной машины – ступени к созданию самоподдерживающегося реактора – была Оук-Ридж, у которой в противном случае не было запланировано крупных будущих программ. Когда они выразили заинтересованность, команда Принстона быстро согласилась и также представила свой вариант более крупной машины. После того, как Оук-Ридж не прошел несколько экспертных оценок, а их окончательный план оказался значительно дороже, в 1974 году победу одержал проект Принстона. Новая машина получила название Токамакский реактор для испытаний термоядерного синтеза. В 1975 году Рэй разделил Комиссию по атомной энергии на две части: одна стала Комиссией по ядерному регулированию, отвечающей за лицензирование и сертификацию атомных электростанций, а другая – Администрацией по энергетическим исследованиям и разработкам (ERDA), включающей исследования в области энергетики и продолжающуюся разработку ядерного оружия. В апреле 1976 года президент Форд назначил Хирша руководителем отдела развития энергетики в ERDA. Это лишило его непосредственного контроля над программой термоядерного синтеза, которая перешла к его помощнику, Эду Кинтеру. Вскоре после этого президент Картер вступил в должность, и новая администрация начала сокращать бюджет на термоядерный синтез, стремясь растянуть его во времени. Картер вернул Шлезингера на должность директора, и на встрече с ним Хиршу предложили найти ему другое место, если он захочет. Однако, возмущенный отношением новой администрации к другим чиновникам, он вместо этого принял предложение от Exxon и покинул ERDA в 1977 году.

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.

Энергетическая политика

В 2008 году Хирш заявил, что снижение мировых поставок нефти повлекло за собой пропорциональное снижение мирового ВВП. Его предложенная структура планирования мер по смягчению последствий включала: "(1) оптимистичный сценарий, при котором максимальная мировая добыча нефти сопровождается многолетним плато перед началом монотонного снижения темпом 2–5% в год; (2) умеренный сценарий, при котором мировая добыча нефти достигает максимума, после чего переходит к долгосрочному монотонному ежегодному снижению темпом 2–5%; и, наконец, (3) пессимистичный сценарий, при котором резкий пик умеренного сценария усугубляется сдерживанием поставок нефти экспортерами, что приводит к дефициту нефти в мире, потенциально растущему быстрее, чем на 2–5% в год, и создающему наиболее серьезные последствия для мировой экономики."

Награды

В 2009 году Хирш получил премию имени М. Кинга Хабберта от ASPO USA.

Публикации

Хирш является обладателем 14 патентов и автором более 50 публикаций в области энергетики. См. отчет Хирша.

Хирш, Роберт Л., Роджер Х. Бездек, Роберт М. Вендлинг. "Надвигающийся мировой энергетический кризис: в чем он заключается и что он означает для вас", Apogee Prime, 2010.