Estelarador

Un estelarizador es un dispositivo que confina el plasma utilizando imanes externos. Los científicos pretenden utilizar estelarizadores para lograr una fusión nuclear controlada . Es uno de los muchos tipos de dispositivos de fusión por confinamiento magnético , siendo el más común el tokamak . El nombre "estelarizador" se refiere a las estrellas , ya que la fusión también ocurre en estrellas como el Sol . ^[1] Es uno de los primeros dispositivos de energía de fusión , junto con el z-pinch y el espejo magnético .

El estelarador fue inventado por el científico estadounidense Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton en 1951, y gran parte de su desarrollo inicial fue llevado a cabo por su equipo en lo que se convirtió en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). El Modelo A de Lyman comenzó a funcionar en 1953 y demostró el confinamiento del plasma. Le siguieron modelos más grandes, pero estos demostraron un rendimiento deficiente, perdiendo plasma a tasas mucho peores que las predicciones teóricas. A principios de la década de 1960, cualquier esperanza de producir rápidamente una máquina comercial se desvaneció, y la atención se centró en estudiar la teoría fundamental de los plasmas de alta energía. A mediados de la década de 1960, Spitzer estaba convencido de que el estelarador estaba igualando la tasa de difusión de Bohm , lo que sugería que nunca sería un dispositivo de fusión práctico.

La publicación de información sobre el diseño del tokamak de la URSS en 1968 indicó un salto en el rendimiento. Después de un gran debate dentro de la industria estadounidense, PPPL convirtió el modelo C de Stellarator en el Tokamak simétrico (ST) como una forma de confirmar o negar estos resultados. ST los confirmó, y el trabajo a gran escala sobre el concepto de Stellarator terminó en los EE. UU., ya que el tokamak atrajo la mayor parte de la atención durante las siguientes dos décadas. La investigación sobre el diseño continuó en Alemania y Japón, donde se construyeron varios diseños nuevos.

El tokamak demostró tener problemas similares a los de los stellarators, pero por razones diferentes. Desde la década de 1990, el diseño de los stellarators ha despertado un renovado interés. ^[2] Nuevos métodos de construcción han aumentado la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. ^[3] Se han construido varios dispositivos nuevos para probar estos conceptos. Entre los principales ejemplos se incluyen el Wendelstein 7-X en Alemania, el Experimento Helicoidalmente Simétrico (HSX) en los EE. UU. y el Gran Dispositivo Helicoidal en Japón.

En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio en una lámina metálica que contenía deuterio , litio u otros elementos. ^[4] Estos experimentos les permitieron medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión entre núcleos, y determinaron que la reacción tritio-deuterio se produjo a una energía menor que cualquier otro combustible, alcanzando un máximo de unos 100.000  electronvoltios (100 keV). ^{[5] [a]}

100 keV corresponde a una temperatura de alrededor de mil millones de kelvins . Debido a las estadísticas de Maxwell-Boltzmann , un gas a granel a una temperatura mucho más baja todavía contendrá algunas partículas a estas energías mucho más altas. Debido a que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso un pequeño número de estas reacciones puede liberar suficiente energía para mantener el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi demostró que esto ocurriría a una temperatura a granel de alrededor de 50 millones de Celsius, todavía muy caliente pero dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar un plasma de este tipo; ningún contenedor material podría soportar esas temperaturas. Pero debido a que los plasmas son conductores de electricidad, están sujetos a campos eléctricos y magnéticos que brindan una serie de soluciones. ^[6]

En un campo magnético, los electrones y los núcleos del plasma giran en torno a las líneas de fuerza magnéticas. Una forma de proporcionar cierto confinamiento sería colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide . Un solenoide crea líneas magnéticas que recorren su centro y el combustible se mantendría alejado de las paredes al orbitar estas líneas de fuerza. Pero tal disposición no confina el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo en forma de toro (rosquilla), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan girar indefinidamente. ^[7]

Sin embargo, esta solución no funciona en realidad. Por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toro están más cerca entre sí en la curva interior, dentro del "agujero de rosquilla". Fermi observó que esto haría que los electrones se alejaran de los núcleos, lo que acabaría provocando su separación y la generación de grandes voltajes. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma dentro del toro se expandiera hasta chocar con las paredes del reactor. ^[7]

Después de la Segunda Guerra Mundial , varios investigadores comenzaron a considerar diferentes formas de confinar un plasma. George Paget Thomson , del Imperial College de Londres, propuso un sistema ahora conocido como z-pinch , que hace pasar una corriente a través del plasma. ^[8] Debido a la fuerza de Lorentz , esta corriente crea un campo magnético que atrae el plasma hacia sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes del reactor. Esto elimina la necesidad de imanes en el exterior, evitando el problema que señaló Fermi. Varios equipos en el Reino Unido habían construido una serie de pequeños dispositivos experimentales utilizando esta técnica a fines de la década de 1940. ^[8]

Otra persona que trabajó en reactores de fusión controlada fue Ronald Richter , un científico alemán que se mudó a Argentina después de la guerra. Su termotrón usaba un sistema de arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para calentar y confinarlos. Convenció a Juan Perón para que financiara el desarrollo de un reactor experimental en una isla aislada cerca de la frontera con Chile. Conocido como el Proyecto Huemul , este se completó en 1951. Richter pronto se convenció a sí mismo de que la fusión se había logrado a pesar de que otras personas que trabajaban en el proyecto no estaban de acuerdo. ^[9] El "éxito" fue anunciado por Perón el 24 de marzo de 1951, convirtiéndose en el tema de las historias de los periódicos de todo el mundo. ^[10]

Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Lyman Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien mencionó un artículo sobre Huemul en The New York Times . ^[11] Al leer la descripción del artículo, Spitzer concluyó que no podía funcionar; el sistema simplemente no podía proporcionar suficiente energía para calentar el combustible a temperaturas de fusión. Pero la idea se le quedó grabada y comenzó a considerar sistemas que funcionarían. Mientras viajaba en el telesilla , se le ocurrió el concepto del stellarator. ^{[12] [b]}

El concepto básico era una forma de modificar la disposición del toro para que abordara las preocupaciones de Fermi a través de la geometría del dispositivo. Al torcer un extremo del toro en comparación con el otro, formando una disposición en forma de ocho en lugar de un círculo, las líneas magnéticas ya no viajaban alrededor del tubo con un radio constante, sino que se acercaban y se alejaban del centro del toro. Una partícula que orbitara estas líneas se encontraría moviéndose constantemente dentro y fuera a través del eje menor del toro. La deriva hacia arriba mientras viajaba a través de una sección del reactor se revertiría después de media órbita y volvería a descender. La cancelación no era perfecta, pero parecía que esto reduciría tanto las tasas de deriva neta que el combustible permanecería atrapado el tiempo suficiente para calentarlo a las temperaturas requeridas. ^[13]

Su descripción de 1958 fue simple y directa:

El confinamiento magnético en el estelarizador se basa en un campo magnético intenso producido por bobinas solenoidales que rodean un tubo toroidal. La configuración se caracteriza por una "transformación rotacional", de modo que una única línea de fuerza magnética, seguida alrededor del sistema, intersecta un plano transversal en puntos que rotan sucesivamente alrededor del eje magnético. ... Una transformación rotacional puede generarse mediante un campo solenoidal en un tubo retorcido o en forma de ocho, o mediante el uso de un campo helicoidal multipolar transversal adicional, con simetría helicoidal. ^[14]

Mientras trabajaba en Los Álamos en 1950, John Wheeler sugirió establecer un laboratorio de investigación secreto en la Universidad de Princeton que llevaría a cabo trabajos teóricos sobre bombas H después de que regresara a la universidad en 1951. Spitzer fue invitado a unirse a este programa, dada su investigación previa en plasmas interestelares. ^[15]

Pero en el momento de su viaje a Aspen, Spitzer había perdido el interés en el diseño de bombas y, a su regreso, dedicó toda su atención a la fusión como fuente de energía. ^[16] Durante los meses siguientes, Spitzer produjo una serie de informes que describían la base conceptual del estellarator, así como los problemas potenciales. La serie es notable por su profundidad; no solo incluía un análisis detallado de las matemáticas del plasma y la estabilidad, sino que también describía una serie de problemas adicionales como el calentamiento del plasma y el manejo de las impurezas. ^[17]

Con este trabajo en la mano, Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener fondos para desarrollar el sistema. ^[17] Esbozó un plan que incluía tres etapas. La primera vería la construcción de un Modelo A, cuyo propósito era demostrar que se podía crear un plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que un toro . Si el modelo A tenía éxito, el modelo B intentaría calentar el plasma a temperaturas de fusión. A esto le seguiría un modelo C, que intentaría crear realmente reacciones de fusión a gran escala. ^[18] Se esperaba que toda esta serie durara alrededor de una década. ^[19]

Por la misma época, Jim Tuck había conocido el concepto de pinza mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Le ofrecieron un trabajo en los EE. UU. y finalmente acabó en Los Álamos, donde presentó el concepto a los demás investigadores. Cuando se enteró de que Spitzer estaba promocionando el stellarator, también viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de pinza. Consideró que los planes de Spitzer eran "increíblemente ambiciosos". Sin embargo, Spitzer logró obtener 50.000 dólares en financiación de la AEC, mientras que Tuck no recibió nada. ^[18]

El programa de Princeton fue creado oficialmente el 1 de julio de 1951. Spitzer, un ávido alpinista, ^[c] propuso el nombre de " Proyecto Matterhorn " porque sintió que "el trabajo en cuestión parecía difícil, como el ascenso de una montaña". ^[20] Inicialmente se establecieron dos secciones, la Sección S que trabajaba en el estelarizador bajo Spitzer, y la Sección B que trabajaba en el diseño de bombas bajo Wheeler. Matterhorn se instaló en el nuevo campus Forrestal de Princeton, un terreno de 825 acres (334 ha) que la Universidad compró al Instituto Rockefeller de Investigación Médica cuando Rockefeller se mudó a Manhattan . ^[d] El terreno estaba ubicado a unas 3 millas (4,8 km) del campus principal de Princeton y ya tenía dieciséis edificios de laboratorio. Spitzer instaló la Sección S de alto secreto en una antigua conejera. ^[21]

No pasó mucho tiempo antes de que los demás laboratorios comenzaran a reclamar su propia financiación. Tuck había logrado conseguir cierta financiación para su Maybeatron a través de algunos presupuestos discrecionales del LANL, pero otros equipos del LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también presentaron sus ideas. El AEC acabó organizando un nuevo departamento para todos estos proyectos, que pasó a llamarse "Proyecto Sherwood". ^[22]

Con la financiación de la AEC, Spitzer comenzó a trabajar invitando a James Van Allen a unirse al grupo y establecer un programa experimental. Allen sugirió comenzar con un pequeño dispositivo "de sobremesa". Esto condujo al diseño del Modelo A, que comenzó a construirse en 1952. Estaba hecho de tubos de pyrex de 5 centímetros (2,0 pulgadas) de unos 350 cm (11,5 pies) de longitud total e imanes capaces de alcanzar unos 1000 gauss. ^[23] La máquina comenzó a funcionar a principios de 1953 y demostró claramente un confinamiento mejorado con respecto al simple toro. ^[24]

Esto condujo a la construcción del Modelo B, que tenía el problema de que los imanes no estaban bien montados y tendían a moverse cuando se alimentaban a su capacidad máxima de 50.000 gauss. Un segundo diseño también falló por la misma razón, pero esta máquina demostró rayos X de varios cientos de kilovoltios que sugerían un buen confinamiento. Las lecciones de estos dos diseños condujeron al B-1, que utilizó calentamiento óhmico (ver más abajo) para alcanzar temperaturas de plasma de alrededor de 100.000 grados. ^[24] Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma causaban grandes emisiones de rayos X que enfriaban rápidamente el plasma. En 1956, B-1 fue reconstruido con un sistema de ultra alto vacío para reducir las impurezas, pero se descubrió que incluso en cantidades más pequeñas seguían siendo un problema grave. Otro efecto observado en el B-1 fue que durante el proceso de calentamiento, las partículas permanecerían confinadas solo unas décimas de milisegundo, mientras que una vez que se apagaba el campo, las partículas restantes permanecían confinadas durante hasta 10 milisegundos. Esto parecía deberse a "efectos cooperativos" dentro del plasma. ^[25]

Mientras tanto, se estaba construyendo una segunda máquina conocida como B-2. Esta era similar a la máquina B-1, pero utilizaba energía pulsada para permitirle alcanzar una energía magnética más alta e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como bombeo magnético. Esta máquina también fue modificada para agregar un sistema de ultra alto vacío. Desafortunadamente, B-2 demostró poco calentamiento por el bombeo magnético, lo que no era del todo inesperado porque este mecanismo requería tiempos de confinamiento más largos, y esto no se estaba logrando. Como parecía que poco se podía aprender de este sistema en su forma actual, en 1958 se envió a la exposición Átomos para la Paz en Ginebra . ^[25] Sin embargo, cuando se modificó el sistema de calentamiento, el acoplamiento aumentó drásticamente, demostrando temperaturas dentro de la sección de calentamiento tan altas como 1000 electronvoltios (160 aJ). ^{[23] [e]}

Se construyeron dos máquinas adicionales para estudiar el funcionamiento pulsado. La B-64 se completó en 1955, esencialmente una versión más grande de la máquina B-1 pero alimentada por pulsos de corriente que producían hasta 15.000 gauss. Esta máquina incluía un desviador , que eliminaba las impurezas del plasma, reduciendo en gran medida el efecto de enfriamiento de rayos X observado en máquinas anteriores. La B-64 incluía secciones rectas en los extremos curvos que le daban una apariencia cuadrada. Esta apariencia dio lugar a su nombre, era una "figura de 8, al cuadrado", u 8 al cuadrado, o 64. Esto dio lugar a experimentos en 1956 en los que la máquina se volvió a ensamblar sin la torsión en los tubos, lo que permitió que las partículas viajaran sin rotación. ^[26]

El B-65, completado en 1957, se construyó utilizando el nuevo diseño de "pista de carreras". Esto fue el resultado de la observación de que agregar bobinas helicoidales a las partes curvas del dispositivo producía un campo que introducía la rotación puramente a través de los campos magnéticos resultantes. Esto tenía la ventaja adicional de que el campo magnético incluía cizallamiento , que se sabía que mejoraba la estabilidad. ^[26] El B-3, también completado en 1957, era una máquina B-2 muy ampliada con ultra alto vacío y confinamiento pulsado de hasta 50.000 gauss y tiempos de confinamiento proyectados de hasta 0,01 segundos. La última de las máquinas de la serie B fue el B-66, completado en 1958, que era esencialmente una combinación del diseño de pista de carreras del B-65 con el mayor tamaño y energía del B-3. ^[25]

Desafortunadamente, todas estas máquinas más grandes demostraron un problema que llegó a conocerse como "bombeo de salida". Este efecto estaba causando tasas de deriva de plasma que no solo eran más altas que las sugeridas por la teoría clásica, sino también mucho más altas que las tasas de Bohm. La tasa de deriva de B-3 era tres veces mayor que las predicciones de Bohm en el peor de los casos, y no logró mantener el confinamiento durante más de unas pocas decenas de microsegundos. ^[26]

Ya en 1954, a medida que continuaba la investigación sobre las máquinas de la serie B, el diseño del dispositivo Modelo C se fue definiendo. Surgió como una gran máquina con trazado de pista de carreras con múltiples fuentes de calor y un desviador, esencialmente un B-66 aún más grande. La construcción comenzó en 1958 y se completó en 1961. Podía ajustarse para permitir un eje menor de plasma de entre 5 y 7,5 centímetros (2,0 y 3,0 pulgadas) y tenía 1.200 cm (470 pulgadas) de longitud. Las bobinas de campo toroidales normalmente operaban a 35.000 gauss. ^[26]

Cuando el Modelo C comenzó a funcionar, la información recopilada de las máquinas anteriores dejaba claro que no sería capaz de producir una fusión a gran escala. El transporte de iones a través de las líneas de campo magnético era mucho mayor de lo que sugería la teoría clásica. Los campos magnéticos muy aumentados de las máquinas posteriores no sirvieron para solucionar este problema, y ​​los tiempos de confinamiento simplemente no mejoraban. La atención comenzó a centrarse mucho más en la comprensión teórica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb se hizo cargo del Proyecto Matterhorn de manos de Spitzer, y el 1 de febrero el proyecto pasó a llamarse Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). ^[21]

Las modificaciones y la experimentación continuas en el Modelo C mejoraron lentamente su funcionamiento, y los tiempos de confinamiento finalmente aumentaron para coincidir con las predicciones de Bohm. Se utilizaron nuevas versiones de los sistemas de calentamiento que aumentaron lentamente las temperaturas. Entre ellas, destaca la adición en 1964 de un pequeño acelerador de partículas para acelerar los iones de combustible a una energía lo suficientemente alta como para cruzar los campos magnéticos, depositando energía dentro del reactor cuando chocaban con otros iones que ya estaban dentro. ^[21] Este método de calentamiento, ahora conocido como inyección de haz neutro , se ha vuelto casi universal en las máquinas de fusión por confinamiento magnético . ^[27]

El Modelo C pasó la mayor parte de su historia involucrado en estudios de transporte de iones. ^[21] A través del ajuste continuo del sistema magnético y la adición de nuevos métodos de calentamiento, en 1969, el Modelo C finalmente alcanzó temperaturas de electrones de 400 eV. ^[28]

Durante este período, surgieron varios diseños potenciales de estelarizadores nuevos que presentaban una disposición magnética simplificada. El modelo C utilizaba bobinas helicoidales y de confinamiento separadas, ya que se trataba de un proceso evolutivo a partir del diseño original que solo tenía bobinas de confinamiento. Otros investigadores, en particular en Alemania, observaron que se podía lograr la misma configuración general del campo magnético con una disposición mucho más simple. Esto condujo al diseño de torsatrón o heliotrón .

En estos diseños, el campo primario es producido por un único imán helicoidal, similar a uno de los devanados helicoidales del estelarador "clásico". A diferencia de esos sistemas, sólo se necesita un único imán, y es mucho más grande que los de los estelaradores. Para producir el campo neto, un segundo conjunto de bobinas que corren de forma poloidal alrededor del exterior del imán helicoidal produce un segundo campo vertical que se mezcla con el helicoidal. El resultado es un diseño mucho más simple, ya que los imanes poloidales son generalmente mucho más pequeños y hay un amplio espacio entre ellos para alcanzar el interior, mientras que en el diseño original los imanes de confinamiento toroidales son relativamente grandes y dejan poco espacio entre ellos. ^{[28] [29]}

Una nueva actualización surgió de la constatación de que el campo total podría generarse mediante una serie de imanes independientes con la forma del campo local. Esto da como resultado una serie de imanes complejos que están dispuestos como las bobinas toroidales del diseño original. La ventaja de este diseño es que los imanes son completamente independientes; si uno se daña, se puede reemplazar individualmente sin afectar al resto del sistema. Además, se puede reorganizar la disposición general del campo reemplazando los elementos. Estas "bobinas modulares" son ahora una parte importante de la investigación en curso.

En 1968, los científicos de la Unión Soviética publicaron los resultados de sus máquinas tokamak , en particular su último modelo, el T-3. Los resultados fueron tan sorprendentes que provocaron un escepticismo generalizado. Para abordar este problema, los soviéticos invitaron a un equipo de expertos del Reino Unido a probar las máquinas por sí mismos. Sus pruebas, realizadas utilizando un sistema basado en láser desarrollado para el reactor ZETA en Inglaterra, verificaron las afirmaciones soviéticas de temperaturas de electrones de 1.000 eV. Lo que siguió fue una "verdadera estampida" de construcción de tokamaks en todo el mundo. ^[30]

Al principio, los laboratorios estadounidenses ignoraron el tokamak; el propio Spitzer lo descartó de plano como un error experimental. Sin embargo, a medida que se conocieron nuevos resultados, especialmente los informes del Reino Unido, Princeton se encontró en la posición de tratar de defender el stellarator como una máquina experimental útil, mientras que otros grupos de todo Estados Unidos clamaban por fondos para construir tokamaks. En julio de 1969, Gottlieb cambió de opinión y ofreció convertir el Modelo C en un diseño tokamak. En diciembre se cerró y se reabrió en mayo como Symmetric Tokamak (ST).

El ST inmediatamente igualó el rendimiento que se veía en las máquinas soviéticas, superando los resultados del Modelo C en más de diez veces. A partir de ese momento, PPPL fue el principal desarrollador del enfoque tokamak en los EE. UU., introduciendo una serie de máquinas para probar varios diseños y modificaciones. El Princeton Large Torus de 1975 alcanzó rápidamente varios números de rendimiento que se requerían para una máquina comercial, y se creía ampliamente que el umbral crítico del punto de equilibrio se alcanzaría a principios de la década de 1980. Lo que se necesitaba eran máquinas más grandes y sistemas más potentes para calentar el plasma a temperaturas de fusión.

Los tokamaks son un tipo de máquinas de pinzamiento que se diferencian de los diseños anteriores principalmente en la cantidad de corriente en el plasma: por encima de un cierto umbral conocido como factor de seguridad o q , el plasma es mucho más estable. ZETA funcionaba con un q de alrededor de 1 ⁄ 3 , mientras que los experimentos con tokamaks demostraron que debe ser al menos 1. Las máquinas que seguían esta regla mostraron un rendimiento drásticamente mejorado. Sin embargo, a mediados de la década de 1980, el camino fácil hacia la fusión desapareció; a medida que la cantidad de corriente en las nuevas máquinas comenzó a aumentar, apareció un nuevo conjunto de inestabilidades en el plasma. Estas podían abordarse, pero solo aumentando en gran medida la potencia de los campos magnéticos, lo que requería imanes superconductores y enormes volúmenes de confinamiento. El costo de una máquina de este tipo era tal que las partes involucradas se unieron para comenzar el proyecto ITER .

A medida que los problemas con el enfoque tokamak crecieron, el interés en el enfoque stellarator resurgió. ^[2] Esto coincidió con el desarrollo de herramientas avanzadas de planificación asistida por computadora que permitieron la construcción de imanes complejos que se conocían previamente pero que se consideraban demasiado difíciles de diseñar y construir. ^{[31] [32]}

Los nuevos materiales y métodos de construcción han aumentado la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando así el rendimiento. Se han construido nuevos dispositivos para poner a prueba estos conceptos. Entre los principales ejemplos se incluyen el Wendelstein 7-X en Alemania, el Experimento Helicoidalmente Simétrico (HSX) en los EE. UU. y el Gran Dispositivo Helicoidal en Japón. El W7X y el LHD utilizan bobinas magnéticas superconductoras .

La falta de una corriente interna elimina algunas de las inestabilidades del tokamak, lo que significa que el stellarator debería ser más estable en condiciones de funcionamiento similares. En el lado negativo, dado que carece del confinamiento proporcionado por la corriente que se encuentra en un tokamak, el stellarator requiere imanes más potentes para alcanzar cualquier confinamiento dado. El stellarator es una máquina inherentemente de estado estable, lo que tiene varias ventajas desde el punto de vista de la ingeniería.

Como parte de un renovado impulso a la energía de fusión desde alrededor de 2018, han surgido proyectos estellarator del sector privado que compiten en número con los proyectos tokamak, aunque están mucho menos desarrollados, ^[33] como Renaissance Fusion ^[34] y Proxima Fusion, una empresa derivada con sede en Múnich del Instituto Max Planck de Física del Plasma, que dirigió el experimento W7-X. ^[35]

Calentar un gas aumenta la energía de las partículas que lo componen, de modo que al calentar un gas a cientos de millones de grados, la mayoría de las partículas que lo componen alcanzan la energía necesaria para fusionarse. Según la distribución de Maxwell-Boltzmann , algunas de las partículas alcanzarán las energías requeridas a temperaturas medias mucho más bajas. Como la energía liberada por la reacción de fusión es mucho mayor que la necesaria para iniciarla, incluso una pequeña cantidad de reacciones puede calentar el combustible circundante hasta que también se fusione. En 1944, Enrico Fermi calculó que la reacción de DT sería autosostenible a unos 50.000.000 de grados Celsius (90.000.000 de grados Fahrenheit). ^[36]

Los materiales calentados a más de unas pocas decenas de miles de grados se ionizan en sus electrones y núcleos , produciendo un estado de materia similar al gas conocido como plasma . De acuerdo con la ley de los gases ideales , como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y, por lo tanto, quiere expandirse. ^[37] Para un reactor de fusión, el desafío es mantener el plasma contenido. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético, confinándolos al área definida por el campo. ^{[38] [39]}

Se puede crear un sistema de confinamiento sencillo colocando un tubo dentro del núcleo abierto de un solenoide . Se puede evacuar el tubo y luego llenarlo con el gas necesario y calentarlo hasta que se convierta en plasma. El plasma, naturalmente, quiere expandirse hacia las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea líneas de campo magnético que recorren el centro del tubo y las partículas de plasma orbitan alrededor de estas líneas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Desafortunadamente, esta disposición no confinaría el plasma a lo largo del tubo y el plasma sería libre de fluir hacia los extremos. ^[40]

La solución obvia a este problema es doblar el tubo en forma de toro (un anillo o rosquilla). ^[40] El movimiento hacia los lados sigue restringido como antes, y mientras que las partículas siguen siendo libres de moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje largo del tubo. Pero, como señaló Fermi, ^[f] cuando el solenoide se dobla en un anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto conduciría a un campo desigual a través del tubo, y el combustible se alejaría lentamente del centro. Dado que los electrones y los iones se desplazarían en direcciones opuestas, esto conduciría a una separación de carga y fuerzas electrostáticas que eventualmente abrumarían la fuerza magnética. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando confinamiento a largo plazo . ^{[7] [40]}

El concepto clave de Spitzer en el diseño del estellarador es que la deriva que Fermi notó podría ser cancelada a través de la disposición física del tubo de vacío. En un toro, las partículas en el borde interior del tubo, donde el campo era más fuerte, se desplazarían hacia arriba, mientras que las del exterior se desplazarían hacia abajo (o viceversa). Sin embargo, si se hiciera que la partícula alternara entre el interior y el exterior del tubo, las derivas se alternarían entre arriba y abajo y se cancelarían. La cancelación no es perfecta, dejando cierta deriva neta, pero los cálculos básicos sugirieron que la deriva se reduciría lo suficiente como para confinar el plasma el tiempo suficiente para calentarlo lo suficiente. ^[42]

La sugerencia de Spitzer para lograrlo era sencilla: en lugar de un toro normal, el dispositivo se cortaría básicamente por la mitad para producir dos medios toros, que luego se unirían con dos secciones rectas entre los extremos abiertos. La clave era que se conectaran a extremos alternos, de modo que la mitad derecha de uno de los toros estuviera conectada a la izquierda del otro. El diseño resultante se parecía a un ocho visto desde arriba. Como los tubos rectos no podían atravesarse entre sí, el diseño no quedaba plano, sino que los toros de cada extremo debían estar inclinados. Esto significaba que la cancelación de la deriva se reducía aún más, pero, una vez más, los cálculos sugerían que el sistema funcionaría. ^[43]

Para entender cómo funciona el sistema para contrarrestar la deriva, considere la trayectoria de una sola partícula en el sistema que comienza en una de las secciones rectas. Si esa partícula está perfectamente centrada en el tubo, viajará por el centro hacia uno de los semitoros, saldrá por el centro del siguiente tubo, y así sucesivamente. Esta partícula completará un bucle alrededor de todo el reactor sin salir del centro. Ahora considere otra partícula que viaja paralela a la primera, pero ubicada inicialmente cerca de la pared interior del tubo. En este caso, entrará por el borde exterior del semitoro y comenzará a desplazarse hacia abajo. Sale de esa sección y entra en la segunda sección recta, todavía en el borde exterior de ese tubo. Sin embargo, debido a que los tubos están cruzados, cuando llega al segundo semitoro ingresa en él por el borde interior . A medida que viaja a través de esta sección, se desplaza nuevamente hacia arriba. ^[44]

Este efecto reduciría una de las principales causas de deriva en la máquina, pero también había otras que considerar. Aunque los iones y electrones en el plasma girarían alrededor de las líneas magnéticas, lo harían en direcciones opuestas y a velocidades de rotación muy altas. Esto conduce a la posibilidad de colisiones entre partículas que giran alrededor de diferentes líneas de fuerza a medida que circulan a través del reactor, lo que debido a razones puramente geométricas, hace que el combustible se desplace lentamente hacia afuera. Este proceso eventualmente hace que el combustible colisione con la estructura o cause una gran separación de carga entre los iones y los electrones. Spitzer introdujo el concepto de un desviador , un imán colocado alrededor del tubo que arrancaba la capa más externa del plasma. Esto eliminaría los iones antes de que se desviaran demasiado y golpearan las paredes. También eliminaría cualquier elemento más pesado en el plasma. ^[45]

Utilizando cálculos clásicos, la tasa de difusión a través de colisiones era lo suficientemente baja como para ser mucho menor que la deriva debido a campos desiguales en un toroide normal. Pero estudios anteriores de plasmas confinados magnéticamente en 1949 demostraron pérdidas mucho mayores y se conocieron como difusión de Bohm . Spitzer dedicó un esfuerzo considerable a considerar este problema y concluyó que la tasa anómala observada por Bohm se debía a la inestabilidad en el plasma, que creía que podía abordarse. ^[46]

Una de las principales preocupaciones del concepto original del estelarizador es que los campos magnéticos del sistema sólo confinarán adecuadamente una partícula de una masa dada que se desplace a una velocidad dada. Las partículas que se desplacen más rápido o más lento no circularán de la forma deseada. Las partículas con velocidades muy bajas (que corresponden a temperaturas bajas) no quedan confinadas y pueden desplazarse hacia las paredes del tubo. Aquellas con demasiada energía pueden chocar contra las paredes externas de las secciones curvas. Para abordar estas preocupaciones, Spitzer introdujo el concepto de un desviador que se conectaría a una de las secciones rectas. Se trataba esencialmente de un espectrómetro de masas que eliminaría las partículas que se movían demasiado rápido o demasiado lento para un confinamiento adecuado. ^[45]

La limitación física de que las dos secciones rectas no se pueden intersecar significa que la transformación rotacional dentro del bucle no es de 180 grados perfectos, sino que normalmente se acerca más a los 135 grados. Esto llevó a diseños alternativos en un esfuerzo por acercar el ángulo a 180. Un primer intento se realizó en el Stellarator B-2, que colocó ambas secciones curvas planas en relación con el suelo, pero a diferentes alturas. Las secciones que antes eran rectas tenían curvas adicionales insertadas, dos secciones de aproximadamente 45 grados, por lo que ahora formaban formas de S extendidas. Esto les permitió enrutarse una alrededor de la otra y al mismo tiempo ser perfectamente simétricas en términos de ángulos.

Una mejor solución a la necesidad de rotar las partículas fue introducida en el Stellarator B-64 y B-65. Estos eliminaron el cruce y aplanaron el dispositivo hasta formar un óvalo, o como ellos lo llamaban, una pista de carreras. La rotación de las partículas se introdujo colocando un nuevo conjunto de bobinas magnéticas en el semitoro de cada extremo, los devanados en espiral . El campo de estas bobinas se mezcla con los campos de confinamiento originales para producir un campo mixto que hace rotar las líneas de fuerza 180 grados. Esto hizo que el diseño mecánico del reactor fuera mucho más simple, pero en la práctica se descubrió que el campo mixto era muy difícil de producir de manera perfectamente simétrica.

Los diseños modernos de estellaradores generalmente utilizan una serie más compleja de imanes para producir un campo con una única forma. Generalmente, este campo tiene la apariencia de una cinta retorcida. Las diferencias entre los diseños generalmente se reducen a cómo se disponen los imanes para producir el campo y la disposición exacta del campo resultante. Se han diseñado una amplia variedad de diseños y algunos de ellos se han probado.

A diferencia del Z-Pinch o el Tokamak, el stellarator no tiene corriente eléctrica inducida dentro del plasma: a nivel macroscópico, el plasma es neutro e inmóvil, a pesar de que las partículas individuales en su interior circulan rápidamente. En las máquinas de pinza, la propia corriente es uno de los métodos principales de calentamiento del plasma. En el stellarator, no existe una fuente de calor natural de este tipo.

Los primeros diseños de estellaradores utilizaban un sistema similar a los de los dispositivos de pinza para proporcionar el calentamiento inicial para llevar el gas a temperaturas de plasma. Este consistía en un solo conjunto de devanados de un transformador , con el plasma mismo formando el conjunto secundario. Cuando se energiza con un pulso de corriente, las partículas en la región se energizan rápidamente y comienzan a moverse. Esto trae gas adicional a la región, ionizando rápidamente toda la masa de gas. Este concepto se denominó calentamiento óhmico porque dependía de la resistencia del gas para crear calor, de una manera no muy diferente a un calentador de resistencia convencional . A medida que aumenta la temperatura del gas, mejora la conductividad del plasma. Esto hace que el proceso de calentamiento óhmico sea cada vez menos efectivo, y este sistema está limitado a temperaturas de aproximadamente 1 millón de kelvin. ^[47]

Para calentar el plasma a temperaturas más altas, Spitzer propuso una segunda fuente de calor, el sistema de bombeo magnético . Este consistía en una fuente de radiofrecuencia alimentada a través de una bobina distribuida a lo largo de la cámara de vacío. La frecuencia se elige para que sea similar a la frecuencia natural de las partículas alrededor de las líneas de fuerza magnéticas, la frecuencia del ciclotrón . Esto hace que las partículas en el área ganen energía, lo que hace que orbiten en un radio más amplio. Dado que otras partículas orbitan sus propias líneas cercanas, a nivel macroscópico, este cambio de energía aparece como un aumento de la presión. ^[45] Según la ley de los gases ideales , esto da como resultado un aumento de la temperatura. Al igual que el calentamiento óhmico, este proceso también se vuelve menos eficiente a medida que aumenta la temperatura, pero aún es capaz de crear temperaturas muy altas. Cuando la frecuencia se establece deliberadamente cerca de la de la circulación de iones, esto se conoce como calentamiento por resonancia de iones-ciclotrón , ^[48] aunque este término no se usó ampliamente en ese momento.

Los trabajos sobre el entonces nuevo concepto de tokamak a principios de los años 1970, en particular los de Tihiro Ohkawa en General Atomics , sugirieron que los toroides con relaciones de aspecto más pequeñas y plasmas no circulares tendrían un rendimiento muy mejorado. ^[49] La relación de aspecto es la comparación del radio del dispositivo en su conjunto con el radio de la sección transversal del tubo de vacío. Un reactor ideal no tendría ningún agujero en el centro, lo que minimizaría la relación de aspecto. El tokamak esférico moderno lleva esto a su límite práctico, reduciendo el agujero central a un solo poste de metal, alargando la sección transversal del tubo verticalmente, produciendo una forma general que es casi esférica y tiene una relación inferior a 2. El dispositivo MAST en el Reino Unido, uno de los más potentes de estos diseños, tiene una relación de 1,3. ^[50]

Los estelaradores generalmente requieren imanes complejos para generar el campo deseado. En los primeros ejemplos, esto solía presentarse en forma de varios conjuntos diferentes de imanes apilados. Si bien los diseños modernos combinan estos elementos, los diseños resultantes a menudo requieren un espacio significativo alrededor de ellos. Esto limita el tamaño del radio interno a algo mucho mayor que el que se observa en los tokamaks modernos, por lo que tienen relaciones de aspecto relativamente grandes. Por ejemplo, el W7-X tiene una relación de aspecto de 10, ^[51] lo que conduce a un tamaño general muy grande. Hay algunos diseños nuevos que apuntan a reducir la relación de aspecto, pero estos siguen sin probarse a partir de 2023 ^[actualizar]y la reducción aún está lejos del nivel observado en los tokamaks modernos. ^[52]

En un diseño de producción, los imanes necesitarían ser protegidos de los neutrones de 14,1 MeV que se producen por las reacciones de fusión. Esto normalmente se logra mediante el uso de una manta de cría , una capa de material que contiene grandes cantidades de litio . Para capturar la mayoría de los neutrones, la manta tiene que tener un espesor de entre 1 y 1,5 metros, lo que aleja los imanes del plasma y, por lo tanto, requiere que sean más potentes que los de las máquinas experimentales, donde alinean el exterior de la cámara de vacío directamente. Esto normalmente se soluciona escalando la máquina a tamaños extremadamente grandes, de modo que la separación de ~10 centímetros que se encuentra en máquinas más pequeñas se escala linealmente a aproximadamente 1 metro. Esto tiene el efecto de hacer que la máquina sea mucho más grande, creciendo hasta tamaños poco prácticos. ^[52] Los diseños con relaciones de aspecto más pequeñas, que escalan más rápidamente, abordarían este efecto hasta cierto punto, pero los diseños de tales sistemas, como ARIES-CS, son enormes, de unos 8 metros de radio con una relación de aspecto relativamente alta de aproximadamente 4,6. ^[53]

Los complejos imanes del estelarador se combinan para producir la forma de campo deseada. Esto exige tolerancias de posicionamiento extremadamente estrictas que aumentan los costos de construcción. Fue este problema lo que llevó a la cancelación del National Compact Stellarator Experiment (NCSX) de los EE. UU., que era un diseño experimental de aspecto bajo con una relación de 4,4. Para funcionar correctamente, la desviación máxima en la colocación a lo largo de toda la máquina era de 1,5 milímetros (0,059 pulgadas). Cuando se montó, se descubrió que esto era imposible de lograr, incluso el hundimiento natural de los componentes con el tiempo era mayor que el límite permitido. La construcción se canceló en 2008, lo que puso en duda el futuro del PPPL. ^[54]

Por último, se espera que los diseños de estellaradores pierdan alrededor del 5% de las partículas alfa generadas , lo que aumenta la tensión en los componentes de un reactor que miran hacia el plasma. ^[55]

Hay varias formas de calentar el plasma (lo que debe hacerse antes de que pueda producirse la ignición).

Calentamiento actual

El plasma es conductor de electricidad y se calienta cuando pasa una corriente a través de él (debido a la resistencia eléctrica). Solo se utiliza para el calentamiento inicial, ya que la resistencia es inversamente proporcional a la temperatura del plasma.

Ondas electromagnéticas de alta frecuencia

El plasma absorbe energía cuando se le aplican ondas electromagnéticas (de la misma manera que los alimentos en un microondas).

Calentamiento por partículas neutras

Un inyector de haz de partículas neutras genera iones y los acelera con un campo eléctrico. Para evitar que se vean afectados por el campo magnético del Stellarator, los iones deben neutralizarse. Los iones neutralizados se inyectan en el plasma. Su alta energía cinética se transfiere a las partículas de plasma mediante colisiones, calentándolas.

Existen varias configuraciones diferentes de stellarator, entre ellas:

Estelarizador espacial

El estelarizador Princeton Modelo A se basa en el diseño en forma de ocho del modelo de 1953. Logró una transformación rotacional utilizando la torsión del eje magnético. Esta es una configuración helicoidal. ^[56]

Estelarizador clásico

También conocido como Princeton Modelo C, este estelarizador genera un campo magnético conectando el plasma de forma poloidal y toroidal a través de bobinas helicoidales. Los estelarizadores con esta configuración de helitrones solo estuvieron en funcionamiento hasta fines de la década de 1960 debido a problemas con el confinamiento de partículas. ^[56]

Torsatón

Un torsatrón es un tipo de estelarizador que utiliza bobinas helicoidales externas enrolladas continuamente para generar el campo magnético . Las bobinas helicoidales que envuelven el toro simplifican la estructura de las bobinas, lo que puede mejorar potencialmente la estabilidad del plasma. Un ejemplo de torsatrón es el híbrido toroidal compacto (CTH).

Heliotrón

El heliotrón es un estelarizador diseñado en Japón que utiliza una bobina helicoidal para confinar el plasma y un par de bobinas de campo poloidal para generar un campo vertical. Las bobinas helicoidales y toroidales trabajan juntas para generar el campo magnético. Su estructura de bobina simplificada facilita la fabricación, mientras que su sistema de bobina modular ofrece más flexibilidad para manipular el campo magnético. El Gran Dispositivo Helicoidal de Japón es un ejemplo de esta configuración.

Estelarizador modular

Un estelarizador con un conjunto de bobinas modulares (separadas) y una bobina toroidal retorcida. ^[57] p. ej. Experimento simétrico helicoidal (HSX) (y Helias (abajo))

Heliaco

Un estelarizador de eje helicoidal , en el que el eje magnético (y el plasma) siguen una trayectoria helicoidal para formar una hélice toroidal en lugar de una forma simple de anillo. El plasma retorcido induce una torsión en las líneas del campo magnético para efectuar la cancelación de la deriva, y normalmente puede proporcionar más torsión que el Torsatron o el Heliotron, especialmente cerca del centro del plasma (eje magnético). El Heliac original consta únicamente de bobinas circulares, y el heliac flexible ^[58] ( H-1NF , TJ-II , TU-Heliac) añade una pequeña bobina helicoidal para permitir que la torsión varíe en un factor de hasta 2.

Helias

Un estelarizador helicoidal avanzado , que utiliza un conjunto de bobinas modulares optimizado diseñado para lograr simultáneamente plasma alto, corrientes Pfirsch-Schluter bajas y buen confinamiento de partículas energéticas; es decir, partículas alfa para escenarios de reactores. ^[59] Se ha propuesto que Helias es el concepto de estelarizador más prometedor para una planta de energía, con un diseño de ingeniería modular y propiedades optimizadas de plasma, MHD y campo magnético. ^{[ cita requerida ]} El dispositivo Wendelstein 7-X se basa en una configuración Helias de cinco períodos de campo.

El objetivo de los dispositivos de confinamiento magnético es minimizar el transporte de energía a través de un campo magnético. Los dispositivos toroidales son relativamente exitosos porque las propiedades magnéticas vistas por las partículas se promedian a medida que viajan alrededor del toro. Sin embargo, la intensidad del campo visto por una partícula generalmente varía, de modo que algunas partículas quedarán atrapadas por el efecto espejo . Estas partículas no podrán promediar las propiedades magnéticas de manera tan efectiva, lo que resultará en un mayor transporte de energía. En la mayoría de los stellarators, estos cambios en la intensidad del campo son mayores que en los tokamaks, lo que es una de las principales razones por las que el transporte en los stellarators tiende a ser mayor que en los tokamaks.

El profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Wisconsin David Anderson y el asistente de investigación John Canik demostraron en 2007 que el experimento Helically Symmetric eXperiment (HSX) puede superar esta importante barrera en la investigación del plasma. El HSX es el primer estelarizador que utiliza un campo magnético cuasisimétrico. El equipo diseñó y construyó el HSX con la predicción de que la cuasisimetría reduciría el transporte de energía. Como demostró la última investigación del equipo, eso es exactamente lo que hace. "Esta es la primera demostración de que la cuasisimetría funciona, y se puede medir realmente la reducción del transporte que se obtiene", dice Canik. ^{[60] [61]}

El nuevo Wendelstein 7-X en Alemania fue diseñado para estar cerca de la omnigeneidad (una propiedad del campo magnético tal que la deriva radial media es cero), que es una condición necesaria pero no suficiente para la cuasisimetría; ^[62] es decir, todos los campos magnéticos cuasisimétricos son omnígenos, pero no todos los campos magnéticos omnígenos son cuasisimétricos. Los experimentos en el estelarizador Wendelstein 7-X han revelado una difusión anómala inducida por turbulencia. ^[63] El campo magnético optimizado de W7-X mostró un control efectivo de la corriente de arranque y un transporte de energía neoclásica reducido, lo que permitió condiciones de plasma de alta temperatura y valores de fusión récord, pero también tiempos de confinamiento de impurezas más prolongados durante las fases de supresión de turbulencia. Estos hallazgos resaltan el éxito de la optimización del campo magnético en los estelarizadores. ^{[64] [65] [66]}

En Wendelstein 7-X, el divertor de isla ha tenido éxito en la estabilización de escenarios de plasma desprendido y en la reducción de los flujos de calor en los objetivos del divertor. ^{[67] [68]} Esta topología tiene múltiples regiones de flujo de contracorriente adyacentes que pueden reducir la velocidad del flujo paralelo a las líneas de campo magnético, lo que lleva a una mitigación sustancial del flujo de calor. ^[69] Se ha demostrado el escape de potencia radiativa por siembra de impurezas en configuraciones de divertor de isla, lo que da como resultado un funcionamiento estable del plasma y una reducción de las cargas térmicas del divertor. ^[70] Esto hace que el divertor de isla sea una solución prometedora para el futuro control del desprendimiento en escenarios de alto rendimiento y actualizaciones hacia un divertor de metal. ^[71] La estructura magnética de borde en estellaradores cuasi-omnígenos y helicoidalmente simétricos, como W7-X y HSX, tiene un impacto significativo en el abastecimiento de combustible y el escape de partículas. Se ha demostrado que la cadena de islas magnéticas se puede utilizar para controlar el abastecimiento de combustible de plasma desde la fuente de reciclaje y la inyección de gas activo. ^[72]

El dispositivo MUSE del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton utiliza principalmente piezas estándar, como imanes permanentes de 10k , para construir un estelarizador para su uso en investigación. Los imanes están incrustados en una matriz de nailon impresa en 3D . Adoptó el método de carga superficial magnética . Se descubrió que la tensión interna máxima era inferior a 7 MPa. Es el primer experimento cuasi-axisimétrico . ^[73]

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