El Experimento Nacional Compacto Estelarizador , NCSX por sus siglas en inglés, fue un experimento de energía de fusión magnética basado en el diseño del estelarizador que se estaba construyendo en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL).
El NCSX fue uno de los nuevos diseños de estellarator de la década de 1990 que surgieron después de que estudios ilustraran nuevas geometrías que ofrecían un mejor rendimiento que las máquinas más simples de las décadas de 1950 y 1960. En comparación con los tokamak más comunes , estos eran mucho más difíciles de diseñar y construir, pero producían un plasma mucho más estable, el principal problema para una fusión exitosa.
El diseño resultó ser demasiado difícil de construir, superando repetidamente el presupuesto y los plazos. El proyecto finalmente se canceló el 22 de mayo de 2008, [1] tras haber gastado más de 70 millones de dólares. [2]
Wendelstein 7-X explora muchos de los mismos conceptos que NCSX pretendía.
Los estelaradores son uno de los primeros conceptos de energía de fusión , diseñados originalmente por el astrofísico de Princeton Lyman Spitzer en 1952 mientras viajaba en los telesillas de Aspen . Spitzer, considerando el movimiento de los plasmas en las estrellas, se dio cuenta de que cualquier disposición simple de imanes no confinaría un plasma dentro de una máquina: el plasma se desplazaría a través de los campos y eventualmente chocaría con la nave. Su solución fue simple: al doblar la máquina con un giro de 180 grados, formando una figura de ocho en lugar de una rosquilla, el plasma se encontraría alternativamente dentro o fuera de la nave, desplazándose en direcciones opuestas. La cancelación de la deriva neta no sería perfecta, pero sobre el papel, parecía que el retraso en las tasas de deriva era más que suficiente para permitir que el plasma alcanzara las condiciones de fusión.
En la práctica, esto no fue así. Un problema que se observó en todos los diseños de reactores de fusión de la época era que los iones de plasma se desplazaban mucho más rápido de lo que predecía la teoría clásica, cientos o miles de veces más rápido. Los diseños que sugerían una estabilidad del orden de segundos se convirtieron en máquinas que eran estables durante microsegundos en el mejor de los casos. A mediados de la década de 1960, todo el campo de la energía de fusión parecía estancado. Fue sólo la introducción en 1968 del diseño tokamak lo que rescató el campo; las máquinas soviéticas estaban funcionando al menos un orden de magnitud mejor que los diseños occidentales, aunque todavía muy lejos de los valores prácticos. La mejora fue tan espectacular que el trabajo en otros diseños se interrumpió en gran medida cuando equipos de todo el mundo comenzaron a estudiar el enfoque tokamak. Esto incluyó los últimos diseños de stellarator; el Modelo C había comenzado a operar recientemente y se convirtió rápidamente en el Tokamak Simétrico.
A finales de los años 1980, estaba claro que, si bien el tokamak suponía un gran avance, también planteaba nuevos problemas. En particular, la corriente de plasma que el tokamak utilizaba para la estabilización y el calentamiento era en sí misma una fuente de inestabilidad a medida que la corriente crecía. Gran parte de los 30 años posteriores de desarrollo del tokamak se han centrado en formas de aumentar esta corriente a los niveles necesarios para mantener una fusión útil y, al mismo tiempo, garantizar que esa misma corriente no provoque la ruptura del plasma.
A medida que se hizo evidente la magnitud del problema con el tokamak, los equipos de fusión de todo el mundo comenzaron a analizar con nuevos ojos otros conceptos de diseño. Entre varias ideas que se observaron durante este proceso, el stellarator en particular parecía tener una serie de cambios potenciales que mejorarían enormemente su rendimiento.
La idea básica del stellarator era utilizar la disposición de los imanes para cancelar la deriva de iones, pero los diseños simples de la década de 1950 no lo hacían en la medida necesaria. Un problema mayor eran las inestabilidades y los efectos de colisión que aumentaban enormemente las tasas de difusión. En la década de 1980 se observó que una forma de mejorar el rendimiento del tokamak era utilizar secciones transversales no circulares para el área de confinamiento del plasma; los iones que se mueven en estas áreas no uniformes se mezclarían y romperían la formación de inestabilidades a gran escala. Aplicar la misma lógica al stellarator parecía ofrecer las mismas ventajas. Sin embargo, como el stellarator carecía de corriente de plasma o la reducía, el plasma sería más estable desde el principio.
Cuando se considera la disposición de los imanes necesaria para lograr ambos objetivos, un camino retorcido alrededor de la circunferencia del dispositivo, así como muchos giros y mezclas más pequeños a lo largo del camino, el diseño se vuelve extremadamente complejo, mucho más allá de las capacidades de las herramientas de diseño convencionales. Fue solo mediante el uso de computadoras masivamente paralelas que los diseños pudieron estudiarse en profundidad y crearse diseños de imanes adecuados. El resultado fue un dispositivo muy compacto, significativamente más pequeño en el exterior que un diseño clásico para cualquier volumen de plasma dado, con una relación de aspecto baja . Las relaciones de aspecto más bajas son muy deseables, porque permiten que una máquina de cualquier potencia dada sea más pequeña, lo que reduce los costos de construcción.
A finales de los años 1990, los estudios sobre nuevos diseños de estellaradores habían llegado a un punto adecuado para la construcción de una máquina que utilizara estos conceptos. En comparación con los estellaradores de los años 1960, las nuevas máquinas podían utilizar imanes superconductores para intensidades de campo mucho mayores, ser apenas más grandes que el Modelo C pero tener un volumen de plasma mucho mayor y tener un área de plasma en su interior que variaba de circular a plana y viceversa mientras giraba varias veces.
Las 18 bobinas modulares tienen una forma tridimensional complicada, aproximadamente 9 curvas diferentes en distintos planos. Algunas de las bobinas necesitarían 15 minutos para volver a enfriarse entre las ejecuciones de plasma de alta I2t . [ 5] : 4
El costo total del proyecto base es de 102 millones de dólares y su fecha de finalización es julio de 2009. [1]
Los primeros contratos se adjudicaron en 2004. [4]
Una vez que el diseño estaba prácticamente terminado, la PPPL comenzó el proceso de construcción de una máquina de este tipo, la NCSX, que pondría a prueba todos estos conceptos. El diseño utilizaba dieciocho complicados imanes enrollados a mano, que luego debían ensamblarse en una máquina donde la variación máxima con respecto a la colocación perfecta no era más de 1,5 milímetros (0,059 pulgadas) en todo el dispositivo. [6] El recipiente de vacío que rodeaba todo esto también era muy complejo, con la complicación añadida de transportar todo el cableado para alimentar los imanes. [7]
Las tolerancias de montaje eran muy estrictas y requerían el uso de sistemas de metrología de última generación , incluidos equipos de fotogrametría y Laser Tracker . Se necesitaron 50 millones de dólares de financiación adicional, repartidos en los siguientes 3 años, para completar el montaje dentro de los requisitos de tolerancia. Los componentes del Stellarator se midieron con escaneo láser 3D y se inspeccionaron para diseñar modelos en varias etapas del proceso de fabricación. [8]
No se pudieron lograr las tolerancias requeridas; a medida que se ensamblaban los módulos, se encontró que las piezas estaban en contacto, se combaban una vez instaladas y otros efectos inesperados hicieron que la alineación fuera muy difícil. [ cita requerida ] Se incluyeron correcciones en el diseño, pero cada una de ellas retrasó aún más la finalización y requirió más fondos. [ cita requerida ] (El costo estimado de 2008 fue de $170 millones con una finalización programada para agosto de 2013). [1] Finalmente, se impuso una condición de seguir adelante o no seguir adelante, y cuando el objetivo no se cumplió dentro del presupuesto, el proyecto se canceló. [1]
Debido a su cancelación en 2008, el proyecto ha sido citado como un caso de estudio del hipotético demonio del Caos Burocrático, que "impide que sucedan cosas buenas" en el Departamento de Energía de los Estados Unidos . [9] Su destino recuerda a otros proyectos del Departamento de Energía, como la Instalación de Pruebas de Fusión de Espejos , que se construyó pero nunca se usó, y el Supercolisionador Superconductor , que costó 2 mil millones de dólares antes de su cancelación.
