El toro irregular es una clase de dispositivo de energía de fusión magnética que consiste en una serie de espejos magnéticos conectados de extremo a extremo para formar un toro cerrado. Se basa en un descubrimiento realizado por un equipo dirigido por Ray Dandl en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en la década de 1960. [1]
La principal desventaja del diseño clásico de espejo magnético es la excesiva fuga de plasma a través de los dos extremos. El toro irregular soluciona este problema conectando varios espejos entre sí, de modo que el combustible que se fuga de uno de ellos acabe en otro. Se describe como "irregular" porque los iones de combustible que componen el plasma tienden a concentrarse dentro de los espejos a una densidad mayor que las corrientes de fuga entre las celdas del espejo. Una descripción alternativa es que el campo magnético es más estrecho entre los espejos que en el centro de cada segmento. [2] Este tipo de disposición no es estable por sí sola, y la mayoría de los diseños de toro irregular utilizan campos secundarios o electrones relativistas para crear un campo estable dentro del reactor.
Los diseños de toros irregulares fueron un área de investigación activa a partir de la década de 1960 y continuaron hasta 1986 con el toro irregular ELMO ( electromagnético orbital ) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [3] Uno, en particular, ha sido descrito : "Imagina una serie de máquinas de espejo magnético colocadas de extremo a extremo y retorcidas en un toro. Un ion o electrón que se escapa de una cavidad de espejo se encuentra en otra celda de espejo. Esto constituye un toro irregular". [4] Estos problemas demostrados y la mayoría de las investigaciones sobre el concepto han terminado.
El espejo magnético es una de las máquinas de energía de fusión magnética más simples en términos de complejidad física. Consiste principalmente en un cilindro con imanes potentes en cada extremo, aunque en la práctica la parte cilíndrica (técnicamente, un solenoide ) está revestida con imanes menos potentes para dar mejor forma al campo. El campo magnético resultante tiene una forma similar a la del exterior de un cigarro, ancho en el centro del cilindro y estrechándose en cada extremo.
El plasma está formado por un gas de partículas cargadas, electrones y los núcleos (iones) del combustible de fusión que se utiliza. En presencia de un campo magnético, las partículas cargadas orbitan alrededor de las líneas de fuerza. También transportan el momento que tenían a lo largo de la línea de fuerza, por lo que, en la práctica, el movimiento resultante es una espiral centrada en la línea magnética.
El espejo funciona de la manera en que este movimiento queda "atrapado" en cada extremo del cilindro. A medida que los iones se acercan a los extremos, otras líneas magnéticas convergen en el mismo lugar, creando un campo ascendente. Si se dan las condiciones adecuadas, el ion invertirá su movimiento, rebotando básicamente en el campo creciente, de ahí el nombre de espejo. A lo largo de un tiempo macroscópico, los iones individuales rebotan de un lado a otro entre las dos bobinas del espejo, y permanecen confinados dentro del dispositivo.
En cualquier disposición de campos dada, siempre quedan algunas líneas de fuerza que no se curvan a medida que se acercan a los extremos, en particular, las líneas que recorren el centro del espejo. Los iones que circulan por estas líneas pueden escapar. Además, para cualquier fuerza magnética dada, siempre hay algunas partículas que tendrán suficiente energía como para no reflejarse, y estas también escaparán. Los cálculos sugirieron que la tasa de escape sería lo suficientemente baja como para permitir un reactor de funcionamiento prolongado.
En el programa de fusión controlada se observó desde el principio que un dispositivo de este tipo tiene una inestabilidad natural en la disposición del campo magnético. En cualquier área donde haya convexidad en el campo, existe una tendencia natural de los iones a querer moverse hacia el exterior de su trayectoria original cuando experimentan una colisión. Como resultado de este movimiento, se desplazan hacia el exterior a través del área de confinamiento. Cuando suficientes iones hacen esto en un área determinada, su carga eléctrica modifica el campo magnético de tal manera que aumenta aún más la curvatura, lo que provoca un efecto de descontrol que hace que el plasma salga del área de confinamiento. Este problema se conoció como inestabilidad de intercambio y se descubrió que era endémico en todos los espejos de finales de la década de 1950.
La inestabilidad de intercambio se debía a las áreas convexas de los campos magnéticos, y los investigadores del Reino Unido demostraron rápidamente que también se daba lo contrario: en un campo cóncavo, con el plasma en el "interior" de la concavidad, sería naturalmente estable. Esto se conoció como la "configuración B mínima". En realidad, es difícil crear una disposición de campo de este tipo que no produzca fugas de combustible por otras razones, pero a mediados de la década de 1960 habían surgido varios diseños prometedores, en particular la configuración de "pelota de tenis" o "béisbol" y, más tarde, el concepto de yin-yang. Todos ellos tenían la desventaja de ser mucho más complejos, así como de mayor tamaño para cualquier volumen de plasma dado, lo que tiene un impacto negativo en la relación precio-rendimiento del diseño.
El toro irregular es un intento de corregir los problemas del espejo tanto con la inestabilidad del intercambio como con su fuga natural por los extremos.
Para controlar las fugas, se conectaron varios espejos de extremo a extremo. Esto, por sí solo, no redujo las fugas, sino que, en cambio, significó que las partículas se filtraron hacia otro espejo. Esto puede parecer obvio a primera vista, pero el problema con este enfoque es que el campo magnético resultante ya no es lineal a lo largo del eje, sino curvo, lo que aumenta la tasa de inestabilidad de intercambio. Sin embargo, cuando se considera la máquina en su conjunto, en lugar de examinar una sola celda de espejo, el campo general se puede organizar como una configuración neta mínima B. [5]
El campo resultante del toro irregular está sujeto a otro problema, el modo de globo resistivo . El equipo ELMO en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge propuso controlar esto inyectando electrones de alta energía ("calientes") en el espacio entre el exterior del campo de confinamiento del espejo y el exterior del propio reactor. Estos electrones producirían un segundo campo magnético que forzaría al campo natural del espejo a alejarse de las paredes del reactor y modificaría el campo en su conjunto para reducir el modo de globo. [5]
El primer ejemplo del diseño de toro irregular fue construido como ELMO en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1972. [6] Al principio, el diseño mostró resultados prometedores, pero a medida que se añadieron nuevos sistemas de diagnóstico, quedó claro que el sistema no estaba funcionando como estaba previsto. En particular, el concepto de capa de electrones no era tan potente como se había previsto y, para agravar los problemas, el sistema de calentamiento por microondas demostró tener una eficiencia mucho menor de lo esperado. [5]
En Nagoya se construyó un sistema similar , donde la medición directa del campo magnético demostró que sólo un pequeño porcentaje del campo creado por los electrones llegaba al interior del área de confinamiento, lo que no era suficiente para compensar las inestabilidades. En 1988, una revisión de todo el campo sugirió que el confinamiento de los electrones simplemente no creaba las condiciones necesarias, y el interés en el concepto terminó. [5]
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