Derek Robinson (físico)

Derek Charles Robinson FRS ^[1] (27 de mayo de 1941 - 2 de diciembre de 2002) fue un físico que trabajó en el programa de energía de fusión del Reino Unido durante la mayor parte de su carrera profesional. ^[2] Estudió la turbulencia en el reactor ZETA del Reino Unido y ayudó a desarrollar el concepto de pinzamiento de campo inverso , un área de estudio hasta el día de hoy. Es más conocido por su papel en la toma de una medición crítica en el dispositivo T-3 en la URSS en 1969 que estableció al tokamak como el principal dispositivo de energía de fusión magnética hasta el día de hoy. También fue fundamental en el desarrollo del diseño del tokamak esférico a través de la construcción del dispositivo START y su continuación, MAST . Robinson estuvo a cargo de partes del programa de fusión de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido desde 1979 hasta que se hizo cargo de todo el programa en 1996 antes de su muerte en 2002.

Robinson nació en Douglas, en la Isla de Man . Como su padre estaba en la Real Fuerza Aérea , Robinson se mudaba a menudo y pasaba una media de dieciocho meses en una escuela primaria. En la escuela secundaria destacó en ciencias y matemáticas y decidió seguir una carrera en física . Su amor por la iglesia y, en particular, por la música de órgano también surgió de este período, cuando cantaba en el coro de su iglesia local. ^[3]

Ingresó en la Universidad Victoria de Manchester y se graduó como el mejor estudiante del año en física. ^{[4] [5]} El profesor de Robinson, Brian Flowers, lo presentó a los investigadores del Atomic Energy Research Establishment , más conocido simplemente como "Harwell". ^[5] Fue contratado para completar su doctorado en Física bajo la dirección de Sam Edwards . ^[3]

Harwell operaba el dispositivo de fusión más grande, más potente y más sofisticado, la máquina ZETA (reactor de fusión) . Cuando ZETA comenzó a funcionar por primera vez en el verano de 1957, emitió grandes ráfagas de neutrones , la señal más obvia de las reacciones de fusión nuclear . Las mediciones de la temperatura del plasma respaldaron este resultado; la máquina parecía alcanzar los 5 millones de grados, lo suficientemente caliente como para generar fusión a un ritmo bajo, dentro de un orden de dos del número de neutrones que uno esperaría generar a esa temperatura.

Cuando se hicieron públicos los primeros resultados de ZETA en un evento de prensa en enero de 1958, John Cockcroft se mostró evasivo al principio, pero finalmente declaró que estaba 90% seguro de que provenían de eventos de fusión. Esto resultó ser incorrecto. La temperatura real del reactor era mucho más baja que lo que sugerían las mediciones, demasiado baja para que se estuviera produciendo una fusión. Las afirmaciones sobre la fusión tuvieron que retractarse en mayo, lo que supuso una gran humillación.

Con el tiempo se fue explorando la naturaleza de los neutrones y se llegó a entender que eran eventos aislados causados ​​por inestabilidades dentro del plasma. En ZETA se habían tratado con éxito inestabilidades "graves" anteriores, pero al corregirlas simplemente se había creado otro conjunto de ellas que había que reparar. Las nuevas eran causadas por turbulencias dentro del plasma. EP Butt y otros habían logrado algunos avances en la supresión de estas inestabilidades, pero no se las comprendía bien. ^[5]

Robinson se encargó de comprender mejor la naturaleza de la turbulencia y realizó una serie de experimentos para caracterizarla. Estos experimentos condujeron a una mejor comprensión de la naturaleza teórica del problema, lo que a su vez condujo a un importante trabajo de John Bryan Taylor sobre una teoría general de descargas eléctricas de alta corriente en campos magnéticos. ^[5] Este trabajo fue un avance importante en la física del plasma y, a través de él, introdujo el concepto de pinzamiento de campo invertido , un campo de estudio hasta el día de hoy.

A medida que se fue aclarando la naturaleza de estos problemas, el equipo ZETA pasó de intentar la fusión a desarrollar herramientas de diagnóstico drásticamente mejoradas para caracterizar el plasma. En lugar de medir la espectroscopia de los iones, es posible medir directamente la velocidad de los electrones a través de la dispersión de Thomson . Sin embargo, esto requiere una fuente de luz brillante y altamente monocromática para que sea eficaz. La introducción del láser en la década de 1960 proporcionó precisamente esa fuente y, a partir de 1964, el equipo de Harwell se convirtió en experto en este sistema.

Desde mediados de los años 50, los soviéticos habían estado desarrollando silenciosamente el dispositivo tokamak . En cuanto a su configuración, el tokamak es prácticamente idéntico a los dispositivos Z-Pinch como el ZETA, que consiste en un anillo de imanes que rodea un tubo de vacío toroidal, con un gran transformador utilizado para inducir corriente en el plasma. El campo magnético de las dos fuentes se mezcla para producir un único campo helicoidal que gira alrededor del plasma. Donde los dos sistemas difieren es principalmente en la relación de la potencia de los campos; el campo del ZETA se genera casi en su totalidad por la corriente del transformador, mientras que el tokamak utiliza imanes de anillo más potentes para equilibrar los dos más estrechamente. Este cambio aparentemente menor tiene enormes efectos en la dinámica del plasma; la hélice del ZETA gira lentamente alrededor del plasma, la del tokamak es bastante "sinuosa". Esto se mide por el " factor de seguridad ".

A mediados de los años 60, las máquinas experimentales demostraron que el concepto del tokamak suponía una mejora espectacular respecto de los diseños anteriores. Sin embargo, los soviéticos esperaron, quizá para evitar otro desastre con ZETA, hasta estar absolutamente seguros de que sus máquinas producían los números que sugerían las mediciones. Este trabajo continuó durante los años 1967 y 1968, que coincidieron con la Tercera Conferencia Internacional sobre Física del Plasma e Investigación de la Fusión Controlada, que se celebró en Novosibirsk en agosto de 1968. ^[6]

Cuando en la reunión se anunciaron las cifras del último reactor T-3 (temperaturas de plasma de 10 millones de grados, tiempos de confinamiento superiores a 10 milisegundos y claros signos de fusión), la comunidad de la fusión quedó atónita. Las máquinas eran al menos un orden de magnitud mejores que los dispositivos de cualquier otro fabricante, incluidos los de mucho mayor tamaño y rendimiento teórico. La pregunta entonces era si los resultados eran reales o no, y abundaba el escepticismo. ^[6]

Lev Artsimovitch abordó esta preocupación e invitó a "Bas" Pease a llevar al equipo ZETA a la T-3 del Instituto Kurchatov en Moscú . En el apogeo de la Guerra Fría , esta era una oportunidad única. Pero las preocupaciones británicas sobre una posible deserción significaban que los súbditos británicos con conocimientos valiosos solo podían viajar a la URSS si estaban "adecuadamente acompañados por una persona confiable". Robinson resolvió este problema casándose con Marion Quarmby en 1968, mientras tomaba un curso intensivo de ruso. ^[5]

El equipo "Culham Five", dirigido por Nicol Peacock, llegó en 1969. Sus experimentos no fueron bien, al principio no pudieron ver la luz sobre el fondo. Robinson lideró el esfuerzo para mejorar la potencia del láser de rubí , incrementándola finalmente en 100 veces. Ahora la señal era clara, validando los resultados soviéticos con mediciones del orden de 20 millones de grados. ^[5] Su artículo, publicado en Nature en noviembre de 1969, condujo a una revolución en la investigación de la fusión, ya que prácticamente todos los demás conceptos de diseño fueron descartados en favor de los tokamaks.

"Derek Robinson era muy respetado en Rusia desde su visita en 1968. Sus mediciones de los perfiles de temperatura de los electrones en el plasma T-3 dieron lugar al inicio de una activa investigación sobre tokamaks en todo el mundo. Derek era conocido por su brillante investigación científica y su brillante personalidad. Era una persona extremadamente amigable, encantadora, inteligente y lista, que será recordada por todos los que lo conocieron". - Evgeny Velikhov, presidente del Instituto Kurchatov ^[7]

A su regreso al Reino Unido en 1970, Robinson se trasladó al laboratorio UKAEA en Culham, que estaba reuniendo los esfuerzos de fusión que hasta entonces se habían dispersado. Lideró el esfuerzo para construir el propio tokamak del Reino Unido, COMPASS. ^[5] Cuando los experimentos sugirieron que las áreas de confinamiento no circulares tendrían un mejor rendimiento, Robinson lideró el esfuerzo para convertir COMPASS en COMPASS-D, que presentaba un área de confinamiento en forma de lágrima. COMPASS-D validó el concepto. El área de plasma en forma de D es una característica de todos los diseños de tokamak modernos.

Su búsqueda de soluciones alternativas hizo que fuera particularmente receptivo a Martin Peng del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) en los EE. UU., que estaba tratando de despertar interés en el concepto de tokamak esférico (ST). Los ST eran esencialmente tokamaks pequeños, pero una combinación de características sugería que ofrecerían un rendimiento mucho mejor que los diseños convencionales. ORNL había diseñado una máquina para probar el concepto, el "STX", ^[8] pero no pudo obtener financiación para construir la máquina.

Robinson logró reunir 10 millones de libras, suficientes para construir la cámara de vacío y la mayor parte del equipo de apoyo. Otros equipos, incluido un inyector de haz neutro, fueron "prestados" por ORLN para ajustarse al presupuesto. La máquina, START , entró en funcionamiento en 1991 e inmediatamente arrojó resultados que igualaron o superaron prácticamente a todas las demás máquinas del mundo, incluidas algunas que costaban mucho más. El éxito de START dio lugar a máquinas similares en todo el mundo, incluida la propia MAST de Culham .

En 1990, Robinson fue designado miembro del Reino Unido del proyecto Joint European Torus (JET), después de que Culham fuera seleccionada como el sitio para su construcción. Seis años más tarde fue nombrado miembro de su junta directiva. Fue elegido miembro de la Royal Society en 1994 y se convirtió en director de fusión en UKAEA en 1996. Robinson, que era miembro del Instituto de Física, también participó activamente en el diseño del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER). ^[5]

Robinson murió de cáncer en el Sobell House Hospice de Oxford. ^[9] Le sobrevivieron su esposa Marion y su hija Nicola.

Varias fuentes parecen discrepar sobre los años específicos en los que Robinson alcanzó su máximo potencial educativo. El Sunday Times afirma que se graduó en 1962, lo que significa que tenía 21 años en ese momento. Todas las fuentes que lo mencionan coinciden en que comenzó a trabajar en Harwell en 1965. Por lo tanto, la naturaleza de su trabajo entre 1962 y 1965 no se indica claramente en ninguna de las fuentes disponibles.

Se puede interpretar que Pease, y la mayoría de los demás, sugieren que durante ese tiempo estaba realizando su doctorado bajo la supervisión de Edwards, doctorado que incluía experimentos realizados en ZETA. Edwards estuvo en Manchester entre 1958 y 1972, ^[10] lo que no ayuda a precisar esto.

Sin embargo, Shafranov afirma que Robinson se graduó en Manchester en 1965 y se puso a trabajar en Harwell inmediatamente. El significado de "graduado" no está claro en el contexto. Si se trata de su doctorado, los plazos coinciden.

El profesor Robin Marshall FRS estaba en el mismo año de licenciatura que Derek Robinson (ingreso en 1959) y confirma que tanto él como Robinson obtuvieron su licenciatura en 1962 y que los registros de la Universidad lo confirman. Tanto Marshall como Robinson hicieron entonces sus doctorados, registrados en la Universidad de Manchester, en un caso viajando al Laboratorio Rutherford Appleton en el lado "abierto" de la valla de seguridad (Marshall) y en el otro, al lado "seguro" de la valla en Harwell mismo (Robinson). En ese momento, el Director de los Laboratorios de Física en Manchester era Brian Hilton Flowers, que había sido Jefe de Teoría en Harwell de 1952 a 1958. Él organizó fácilmente esas cosas. Sam Edwards también estaba en el Departamento de Manchester durante el período de investigación de doctorado de Robinson, que, como el de Marshall, comenzó en 1962 y terminó en 1965 con la concesión del título por parte de Manchester.