Un foco de plasma denso ( DPF ) es un tipo de sistema de generación de plasma desarrollado originalmente como un dispositivo de energía de fusión a principios de la década de 1960. El sistema demostró leyes de escala que sugerían que no sería útil en el papel de energía comercial y desde la década de 1980 se ha utilizado principalmente como un sistema de enseñanza de fusión y como fuente de neutrones y rayos X.
El concepto original fue desarrollado en 1954 por NV Filippov, quien notó el efecto mientras trabajaba en las primeras máquinas de presión en la URSS. [1] A fines de la década de 1950 se llevó a cabo un importante programa de investigación sobre DPF en la URSS, que continúa hasta el día de hoy. JW Mather descubrió de manera independiente una versión diferente del mismo concepto básico en los EE. UU. a principios de la década de 1960. Esta versión experimentó cierto desarrollo en la década de 1970 y se siguen desarrollando variaciones.
El diseño básico se deriva del concepto de pinzamiento en Z. Tanto el DPF como el pinzamiento utilizan grandes corrientes eléctricas que pasan a través de un gas para hacer que se ionice y se convierta en plasma y luego se pinza sobre sí mismo para aumentar la densidad y la temperatura del plasma. El DPF difiere en gran medida en la forma; la mayoría de los dispositivos utilizan dos cilindros concéntricos y forman el pinzamiento en el extremo del cilindro central. En cambio, los sistemas de pinzamiento en Z generalmente utilizan un solo cilindro, a veces un toro, y pinzan el plasma en el centro.
El foco de plasma es similar al dispositivo de cañón de plasma de alta intensidad (HIPGD) (o simplemente cañón de plasma ), que expulsa plasma en forma de plasmoide, sin pinzarlo. En 2012, Krishnan realizó una revisión exhaustiva del foco de plasma denso y sus diversas aplicaciones. [2]
Los dispositivos basados en pinzamientos son los primeros sistemas que se desarrollaron seriamente para la investigación sobre la fusión, comenzando con máquinas muy pequeñas construidas en Londres en 1948. Normalmente tomaban una de dos formas: las máquinas de pinzamiento lineales son tubos rectos con electrodos en ambos extremos para aplicar la corriente al plasma, mientras que las máquinas de pinzamiento toroidales son máquinas con forma de rosquilla con grandes imanes envueltos alrededor de ellas que suministran la corriente a través de inducción magnética .
En ambos tipos de máquinas, se aplica una gran ráfaga de corriente a un gas diluido dentro del tubo. Esta corriente ioniza inicialmente el gas y lo convierte en plasma. Una vez que se completa la ionización, lo que ocurre en microsegundos, el plasma comienza a conducir una corriente. Debido a la fuerza de Lorentz , esta corriente crea un campo magnético que hace que el plasma se "aplaste" hacia abajo y se convierta en un filamento, similar a un rayo. Este proceso aumenta la densidad del plasma muy rápidamente, lo que hace que su temperatura aumente.
Los primeros dispositivos demostraron rápidamente que existía un problema con la estabilidad de este proceso. A medida que la corriente comenzaba a fluir en el plasma, aparecían efectos magnéticos conocidos como "salchicha" y "torcedura", que hacían que el plasma se volviera inestable y acabara chocando contra los lados del recipiente. Cuando esto ocurría, el plasma caliente hacía que los átomos del metal o del vidrio se desprendieran y entraran en el combustible, enfriando rápidamente el plasma. A menos que se pudiera estabilizar el plasma, este proceso de pérdida haría imposible la fusión.
A mediados de la década de 1950, aparecieron dos posibles soluciones. En el concepto de pinzamiento rápido , un dispositivo lineal sufriría el pinzamiento tan rápidamente que el plasma en su conjunto no se movería, sino que solo la capa más externa comenzaría a pinzarse, creando una onda de choque que continuaría el proceso después de que se eliminara la corriente. En el pinzamiento estabilizado , se agregarían nuevos campos magnéticos que se mezclarían con el campo de la corriente y crearían una configuración más estable. En las pruebas, ninguno de estos sistemas funcionó, y la ruta del pinzamiento hacia la fusión fue abandonada en gran medida a principios de la década de 1960. [ cita requerida ]
Durante los experimentos con una máquina de pinza lineal, Filippov se dio cuenta de que ciertas disposiciones de los electrodos y del tubo hacían que el plasma adquiriera nuevas formas, lo que dio origen al concepto de DPF.
En una máquina DPF típica, hay dos electrodos cilíndricos. El electrodo interior, a menudo sólido, está separado físicamente del exterior por un disco aislante en un extremo del dispositivo. Se deja abierto en el otro extremo. El resultado final es algo así como una taza de café con medio perrito caliente parado de punta en el medio de la taza.
Cuando se aplica corriente, comienza a formarse un arco en el camino de menor resistencia, en el extremo cercano al disco aislante. Esto hace que el gas de la zona se ionice rápidamente y la corriente comience a fluir a través de él hacia el electrodo exterior. La corriente crea un campo magnético que comienza a empujar el plasma por el tubo hacia el extremo abierto. Llega al final en microsegundos.
Cuando llega al final, continúa moviéndose por un corto tiempo, pero los extremos de la lámina actual permanecen unidos al extremo de los cilindros. Esto hace que la lámina de plasma se arquee y adopte una forma similar a la de un paraguas o la de la tapa de un hongo.
En este punto, el movimiento se detiene y la corriente continua comienza a presionar la sección cercana al electrodo central. Finalmente, esto hace que la zona que antes tenía forma de anillo se comprima hasta formar un poste vertical que se extiende desde el extremo del electrodo interior. En esta zona, la densidad aumenta considerablemente.
Todo el proceso se desarrolla a una velocidad muchas veces superior a la del sonido en el gas ambiente. A medida que la vaina de corriente continúa moviéndose axialmente, la parte en contacto con el ánodo se desliza por la cara del ánodo, de manera axisimétrica. Cuando el frente implosionante de la onda de choque se fusiona con el eje, un frente de choque reflejado emana desde el eje hasta que se encuentra con la vaina de corriente impulsora, que luego forma el límite axisimétrico de la columna de plasma caliente, concentrada o comprimida.
La columna de plasma denso (similar al Z-pinch ) se comprime rápidamente y sufre inestabilidades y se rompe. La intensa radiación electromagnética y las explosiones de partículas, denominadas colectivamente multirradiación , ocurren durante las fases de plasma denso y ruptura. Estas fases críticas duran típicamente decenas de nanosegundos para una máquina de enfoque pequeña (kJ, 100 kA) hasta alrededor de un microsegundo para una máquina de enfoque grande (MJ, varios MA).
El proceso, que incluye las fases axial y radial, puede durar, en el caso de la máquina DPF de Mather, desde unos pocos microsegundos (para un foco pequeño) hasta 10 microsegundos en el caso de una máquina con foco más grande. Una máquina con foco Filippov tiene una fase axial muy corta en comparación con un foco Mather.
Cuando se opera con deuterio , se emiten intensas ráfagas de rayos X y partículas cargadas, al igual que subproductos de la fusión nuclear, incluidos neutrones . [3] Hay investigaciones en curso que demuestran aplicaciones potenciales como fuente de rayos X suaves [4] para litografía microelectrónica de próxima generación , micromaquinado de superficies , fuente de rayos X pulsados y neutrones para aplicaciones de inspección médica y de seguridad y modificación de materiales, [5] entre otras.
Para aplicaciones de armas nucleares , los dispositivos de enfoque de plasma denso se pueden utilizar como una fuente de neutrones externa . [6] Otras aplicaciones incluyen la simulación de explosiones nucleares (para probar el equipo electrónico) y una fuente de neutrones corta e intensa útil para el descubrimiento o inspección sin contacto de materiales nucleares (uranio, plutonio).
Una característica importante del foco de plasma denso es que la densidad de energía del plasma enfocado es prácticamente constante en toda la gama de máquinas, [7] desde máquinas de subkilojulios hasta máquinas de megajulios, cuando estas máquinas están ajustadas para un funcionamiento óptimo. [8] Esto significa que una pequeña máquina de enfoque de plasma del tamaño de una mesa produce esencialmente las mismas características del plasma (temperatura y densidad) que el foco de plasma más grande. Por supuesto, la máquina más grande producirá el mayor volumen de plasma enfocado con una vida útil correspondientemente más larga y un mayor rendimiento de radiación.
Incluso el foco de plasma más pequeño tiene esencialmente las mismas características dinámicas que las máquinas más grandes, lo que produce las mismas características del plasma y los mismos productos de radiación. Esto se debe a la escalabilidad de los fenómenos del plasma.
Véase también plasmoide , la bola de plasma magnética autónoma que puede producirse mediante un foco de plasma denso.
El hecho de que la densidad de energía del plasma sea constante en toda la gama de dispositivos de enfoque de plasma, desde grandes a pequeños, está relacionado con el valor de un parámetro de diseño que debe mantenerse en un valor determinado para que el enfoque de plasma funcione de manera eficiente.
El parámetro de diseño de "velocidad" crítico para los dispositivos productores de neutrones es , donde es la corriente, es el radio del ánodo y es la densidad o presión del gas. [7]
Por ejemplo, para una operación optimizada con neutrones en deuterio, el valor de este parámetro crítico, observado experimentalmente en un rango de máquinas desde kilojulios a cientos de kilojulios, es: 9 kA/(mm·Torr 0,5 ), o 780 kA/(m·Pa 0,5 ), con una desviación notablemente pequeña del 10% en un rango tan amplio de tamaños de máquinas.
Por lo tanto, si tenemos una corriente pico de 180 kA, necesitamos un radio de ánodo de 10 mm con una presión de llenado de deuterio de 4 Torr (530 Pa). La longitud del ánodo debe entonces adaptarse al tiempo de subida de la corriente del condensador para permitir una velocidad de tránsito axial promedio de la vaina de corriente de poco más de 50 mm/μs. Por lo tanto, un tiempo de subida del condensador de 3 μs requiere una longitud de ánodo adaptada de 160 mm.
El ejemplo anterior, con una corriente pico de 180 kA que aumenta en 3 μs y un radio y una longitud del ánodo de 10 y 160 mm respectivamente, se acerca a los parámetros de diseño de la instalación de fusión de plasma de la Universidad de las Naciones Unidas y el Centro Internacional de Física Teórica (UNU/ICTP PFF). [9] Este pequeño dispositivo de sobremesa se diseñó como un sistema experimental integrado de bajo coste para la formación y la transferencia con el fin de iniciar y fortalecer la investigación experimental sobre plasma en países en desarrollo. [10]
Se puede observar que el cuadrado del parámetro de accionamiento es una medida de la "densidad de energía del plasma".
Por otra parte, se ha propuesto otro parámetro, el llamado "parámetro de densidad de energía" , donde E es la energía almacenada en el banco de condensadores y a es el radio del ánodo; para el funcionamiento optimizado con neutrones en deuterio, el valor de este parámetro crítico, observado experimentalmente en un rango de máquinas que va desde decenas de julios hasta cientos de kilojulios, es del orden de J/m3 . [ 8] Por ejemplo, para un banco de condensadores de 3 kJ, el radio del ánodo es del orden de 12 mm. Este parámetro tiene un rango de 3,6 x 10^9 a 7,6 x 10^11 para las máquinas estudiadas por Soto. El amplio rango de este parámetro se debe a que es una "densidad de energía de almacenamiento" que se traduce en una densidad de energía de plasma con diferente eficiencia dependiendo del rendimiento muy diferente de las diferentes máquinas. Por lo tanto, para obtener la densidad de energía de plasma necesaria (que se ha encontrado que es casi constante para la producción optimizada de neutrones) se requiere una densidad de almacenamiento inicial muy diferente.
Una red de diez máquinas DPF idénticas opera en ocho países alrededor del mundo. Esta red produce artículos de investigación sobre temas que incluyen la optimización y el diagnóstico de máquinas (rayos X suaves, neutrones, haces de electrones e iones), aplicaciones (microlitografía, micromaquinado, modificación y fabricación de materiales, imágenes y medicina, simulación astrofísica), así como modelado y computación. La red fue organizada por Sing Lee en 1986 y está coordinada por la Asociación Asiático-Africana para la Capacitación en Plasma, AAAPT. Se ha desarrollado un paquete de simulación, el Modelo Lee, [11] para esta red, pero es aplicable a todos los dispositivos de enfoque de plasma. El código generalmente produce una excelente concordancia entre los resultados calculados y medidos, [12] y está disponible para su descarga como una Instalación Universal de Laboratorio de Enfoque de Plasma. El Instituto para Estudios de Enfoque de Plasma IPFS [13] se fundó el 25 de febrero de 2008 para promover el uso correcto e innovador del código del Modelo Lee y para alentar la aplicación de experimentos numéricos de enfoque de plasma. La investigación de IPFS ya ha extendido las leyes de escalamiento de neutrones derivadas numéricamente a experimentos de varios megajulios. [14] Estos esperan verificación. Los experimentos numéricos con el código también han dado como resultado la compilación de una ley de escalamiento global que indica que el conocido efecto de saturación de neutrones está mejor correlacionado con un mecanismo de deterioro del escalamiento. Esto se debe al predominio creciente de la resistencia dinámica de fase axial a medida que la impedancia del banco de capacitores disminuye con el aumento de la energía del banco (capacitancia). En principio, la saturación resistiva podría superarse haciendo funcionar el sistema de potencia de pulso a un voltaje más alto.
El Centro Internacional de Plasmas Magnetizados Densos (ICDMP) en Varsovia, Polonia, opera varias máquinas de enfoque de plasma para un programa internacional de investigación y capacitación. Entre estas máquinas hay una con capacidad energética de 1 MJ, lo que la convierte en uno de los dispositivos de enfoque de plasma más grandes del mundo.
En Argentina existe un Programa Interinstitucional para la Investigación de Plasma Focus desde 1996, coordinado por un Laboratorio Nacional de Plasmas Densos Magnetizados (www.pladema.net) en Tandil, Buenos Aires. El Programa también coopera con la Comisión Nacional de Energía Nuclear de Chile y conecta en red a la Comisión Nacional de Energía de Argentina, el Consejo Científico de Buenos Aires, la Universidad de Centro, la Universidad de Mar del Plata, la Universidad de Rosario y el Instituto de Física del Plasma de la Universidad de Buenos Aires. El programa opera seis dispositivos Plasma Focus, desarrollando aplicaciones, en particular tomografía ultracorta y detección de sustancias por interrogación de pulsos de neutrones. PLADEMA también contribuyó durante la última década con varios modelos matemáticos de Plasma Focus. El modelo termodinámico pudo desarrollar por primera vez mapas de diseño que combinan parámetros geométricos y operacionales, mostrando que siempre hay una longitud de cañón y una presión de carga óptimas que maximizan la emisión de neutrones. Actualmente existe un código completo de elementos finitos validado contra numerosos experimentos, que puede usarse con confianza como una herramienta de diseño para Plasma Focus.
En Chile, en la Comisión Chilena de Energía Nuclear, los experimentos de foco de plasma se han extendido a dispositivos sub-kilojoules y las reglas de escalas se han estirado hasta la región de menos de un joule. [15] [16] [17] [18] Sus estudios han contribuido a saber que es posible escalar el foco de plasma en un amplio rango de energías y tamaños manteniendo el mismo valor de densidad iónica, campo magnético, velocidad de envoltura del plasma, velocidad de Alfvén y la cantidad de energía por partícula. Por lo tanto, las reacciones de fusión incluso se pueden obtener en dispositivos ultraminiatura (accionados por generadores de 0,1 J por ejemplo), como en los dispositivos más grandes (accionados por generadores de 1 MJ). Sin embargo, la estabilidad del plasma pinch depende en gran medida del tamaño y la energía del dispositivo. [8] Se ha observado una rica fenomenología de plasma en los dispositivos de enfoque de plasma de mesa desarrollados en la Comisión de Energía Nuclear de Chile: estructuras filamentosas, [19] singularidades toroidales, [20] ráfagas de plasma [21] y generaciones de chorros de plasma. [22] Además, se exploran posibles aplicaciones utilizando este tipo de pequeños dispositivos de plasma: desarrollo de generadores portátiles como fuentes no radiactivas de neutrones y rayos X para aplicaciones de campo, [16] [17] radiación pulsada aplicada a estudios biológicos, enfoque de plasma como fuente de neutrones para reactores híbridos de fusión-fisión nuclear, [23] y el uso de dispositivos de enfoque de plasma como aceleradores de plasma para estudios de materiales bajo pulsos intensos relevantes para la fusión. [24] Además, la Comisión de Energía Nuclear de Chile actualmente opera la instalación SPEED-2, la instalación de enfoque de plasma más grande del hemisferio sur.
Desde principios de 2009, se han puesto en servicio varias nuevas máquinas de foco de plasma, entre ellas el INTI Plasma Focus en Malasia, el NX3 en Singapur, el primer foco de plasma puesto en servicio en una universidad estadounidense en los últimos tiempos, el KSU Plasma Focus en la Universidad Estatal de Kansas, que registró su primer pinchazo emisor de neutrones de fusión en la víspera de Año Nuevo de 2009, y el foco de plasma IR-MPF-100 (115 kJ) en Irán.
Varios grupos propusieron que la energía de fusión basada en el DPF podría ser económicamente viable, posiblemente incluso con ciclos de combustible de bajo nivel de neutrones como el p-B11. La viabilidad de la energía neta del p-B11 en el DPF requiere que las pérdidas por bremsstrahlung se reduzcan mediante efectos mecánicos cuánticos inducidos por un campo magnético extremadamente fuerte " congelado en el plasma" . El alto campo magnético también da como resultado una alta tasa de emisión de radiación ciclotrónica , pero a las densidades previstas, donde la frecuencia del plasma es mayor que la frecuencia del ciclotrón , la mayor parte de esta energía se reabsorberá antes de perderse del plasma. Otra ventaja reivindicada es la capacidad de conversión directa [ ancla rota ] de la energía de los productos de fusión en electricidad, con una eficiencia potencialmente superior al 70%.
En Lawrenceville Plasma Physics (LPP) se están realizando experimentos y simulaciones por computadora para investigar la capacidad del DPF para generar energía de fusión bajo la dirección de Eric Lerner , quien explicó su enfoque "Focus Fusion" en una charla tecnológica de Google en 2007. [25] El 14 de noviembre de 2008, Lerner recibió fondos para continuar con la investigación, con el fin de probar la viabilidad científica de Focus Fusion. [26]
El 15 de octubre de 2009, el dispositivo DPF "Focus Fusion-1" logró su primer pinch. [27] El 28 de enero de 2011, LPP publicó los resultados iniciales que incluían disparos experimentales con rendimientos de fusión considerablemente más altos que la tendencia histórica de DPF. [28] En marzo de 2012, la compañía anunció que había alcanzado temperaturas de 1.800 millones de grados, superando el antiguo récord de 1.100 millones que había sobrevivido desde 1978. [29] [30] En 2016, la compañía anunció que había logrado un rendimiento de fusión de 0,25 julios. [31] En 2017, la compañía redujo las impurezas en masa en 3x y los números de iones en 10x. El rendimiento de fusión aumentó en un 50%. El rendimiento de fusión se duplicó en comparación con otros dispositivos de enfoque de plasma con la misma entrada de energía de 60 kJ. Además, la energía iónica media aumentó a un récord de 240 ± 20 keV para cualquier plasma de fusión confinado. Una mezcla de deuterio y nitrógeno y una preionización por descarga de corona redujeron la desviación estándar del rendimiento de fusión en 4 veces, a aproximadamente el 15 %. [32]
En 2019, el equipo realizó una serie de experimentos en los que se reemplazaron los electrodos de tungsteno por electrodos de berilio (denominados Focus Fusion 2B). Después de 44 disparos, el electrodo formó una capa de óxido de 10 nm mucho más delgada con menos impurezas y menos erosión del electrodo que con los electrodos de tungsteno. El rendimiento de fusión alcanzó 0,1 julios. El rendimiento en general aumentó y las impurezas disminuyeron con un número creciente de disparos. [33]
