Un foco de plasma denso ( DPF ) es un tipo de sistema generador 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 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 pellizco en la URSS. [1] Un importante programa de investigación sobre DPF se llevó a cabo en la URSS hasta finales de la década de 1950 y continúa hasta el día de hoy. JW Mather descubrió de forma independiente una versión diferente del mismo concepto básico en los Estados Unidos 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 deriva del concepto z-pinch . Tanto el DPF como el pellizco utilizan grandes corrientes eléctricas que pasan a través de un gas para hacer que se ionice en un plasma y luego se pellizca sobre sí mismo para aumentar la densidad y la temperatura del plasma. El DPF difiere mucho en su forma; la mayoría de los dispositivos utilizan dos cilindros concéntricos y forman el pellizco al final del cilindro central. Por el contrario, los sistemas de pellizco en z generalmente utilizan un solo cilindro, a veces un toro, y pellizcan el plasma en el centro.
El foco de plasma es similar al dispositivo de pistola de plasma de alta intensidad (HIPGD) (o simplemente pistola de plasma ), que expulsa plasma en forma de plasmoide, sin pellizcarlo. Krishnan realizó una revisión exhaustiva del foco de plasma denso y sus diversas aplicaciones en 2012. [2]
Los dispositivos basados en pellizcos son los primeros sistemas que se desarrollaron seriamente para la investigación de la fusión, comenzando con máquinas muy pequeñas construidas en Londres en 1948. Normalmente adoptaban una de dos formas; Las máquinas de pellizco lineal son tubos rectos con electrodos en ambos extremos para aplicar la corriente al plasma, mientras que las máquinas de pellizco toroidales son máquinas en forma de rosquilla con grandes imanes envueltos alrededor que suministran la corriente mediante inducción magnética .
En ambos tipos de máquinas, se aplica una gran ráfaga de corriente a un gas diluido dentro del tubo. Esta corriente inicialmente ioniza el gas hasta convertirlo en plasma. Una vez completada la ionización, 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 "pellizque" formando un filamento, similar a un rayo. Este proceso aumenta la densidad del plasma muy rápidamente, provocando que aumente su temperatura.
Los primeros dispositivos demostraron rápidamente un problema con la estabilidad de este proceso. A medida que la corriente comenzó a fluir en el plasma, aparecieron efectos magnéticos conocidos como "salchicha" y "torcedura" que provocaron que el plasma se volviera inestable y finalmente golpeara los lados del contenedor. Cuando esto ocurriera, el plasma caliente haría que los átomos del metal o 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 pellizco rápido , un dispositivo lineal sufriría el pellizco tan rápidamente que el plasma en su totalidad no se movería; en cambio, solo la capa más externa comenzaría a pellizcarse, creando una onda de choque que continuaría el proceso después de que se eliminara la corriente. . En el pinchazo 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 de la fusión fue abandonada en gran medida a principios de la década de 1960. [ cita necesaria ]
Durante los experimentos en una máquina de pellizco lineal, Filippov notó que ciertas disposiciones de los electrodos y el tubo harían que el plasma tomara nuevas formas. Esto llevó al concepto DPF.
En una máquina DPF típica, hay dos electrodos cilíndricos. El interior, a menudo sólido, está físicamente separado del exterior por un disco aislante en un extremo del dispositivo. Se deja abierto por el otro extremo. El resultado final es algo así como una taza de café con medio hot dog de pie en su extremo en el medio de la taza.
Cuando se aplica corriente, comienza a formar un arco en el camino de menor resistencia, en el extremo cerca del disco aislante. Esto hace que el gas en el área se ionice rápidamente y la corriente comienza 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 puntos finales de la hoja actual permanecen unidos al final de los cilindros. Esto hace que la lámina de plasma se doble y adopte una forma similar a la de un paraguas o la tapa de un hongo.
En este punto se detiene el movimiento adicional y la corriente continua comienza a pellizcar la sección cerca del electrodo central. Finalmente, esto hace que el área anterior en forma de anillo se comprima hacia abajo formando 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 muchas veces la velocidad del sonido en el gas ambiental. A medida que la vaina de corriente continúa moviéndose axialmente, la porción en contacto con el ánodo se desliza a través de la cara del ánodo, simétricamente al eje. Cuando el frente de implosión de la onda de choque se fusiona con el eje, un frente de choque reflejado emana del eje hasta que se encuentra con la vaina de corriente impulsora que luego forma el límite simétrico del eje de la columna de plasma caliente pellizcada o enfocada.
La columna de plasma denso (similar al pellizco en Z ) se pellizca rápidamente , sufre inestabilidades y se rompe. La intensa radiación electromagnética y los estallidos de partículas, denominados colectivamente multiradiación, se producen durante las fases de plasma denso y de ruptura. Estas fases críticas suelen durar desde 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, incluidas las fases axial y radial, puede durar, para la máquina Mather DPF, desde unos pocos microsegundos (para un enfoque pequeño) hasta 10 microsegundos para una máquina de enfoque más grande. Una máquina de enfoque Filippov tiene una fase axial muy corta en comparación con un enfoque Mather.
Cuando se opera con deuterio , se emiten intensas ráfagas de rayos X y partículas cargadas, al igual que los subproductos de la fusión nuclear, incluidos los neutrones . [3] Hay investigaciones en curso que demuestran aplicaciones potenciales como fuente de rayos X suaves [4] para litografía microelectrónica de próxima generación , micromecanizado de superficies , rayos X pulsados y fuente de neutrones para aplicaciones de inspección médica y de seguridad y modificación de materiales, [5 ] entre otros.
Para aplicaciones de armas nucleares , se pueden utilizar dispositivos de enfoque de plasma denso como fuente externa de neutrones . [6] Otras aplicaciones incluyen la simulación de explosiones nucleares (para probar equipos electrónicos) 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 sintonizadas 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 de plasma (temperatura y densidad) que el enfoque de plasma más grande. Por supuesto, la máquina más grande producirá un mayor volumen de plasma enfocado con una vida útil 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, produciendo las mismas características de 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 ser producida por 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 crítico de "velocidad" para 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 el funcionamiento optimizado con neutrones en deuterio, el valor de este parámetro crítico, observado experimentalmente en una gama de máquinas desde kilojulios hasta 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 una gama tan amplia de tamaños de máquinas.
Por lo tanto, si tenemos una corriente máxima de 180 kA, requerimos 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 media de tránsito axial de la vaina de corriente de poco más de 50 mm/μs. Por tanto, un tiempo de subida del condensador de 3 μs requiere una longitud de ánodo adaptada de 160 mm.
El ejemplo anterior de corriente máxima de 180 kA que aumenta en 3 μs, radio del ánodo y longitud de 10 y 160 mm respectivamente están cerca de los parámetros de diseño de la UNU/ICTP PFF (Universidad de las Naciones Unidas/Centro Internacional de Física Teórica Instalación de Fusión de Plasma) . [9] Este pequeño dispositivo de mesa fue diseñado como un sistema experimental integrado de bajo costo para capacitación y transferencia para iniciar/fortalecer la investigación experimental sobre plasma en países en desarrollo. [10]
Cabe señalar que el cuadrado del parámetro de accionamiento es una medida de la "densidad de energía plasmática".
Por otro lado, otro propuesto, 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 durante una gama de máquinas desde decenas de julios hasta cientos de kilojulios, es del orden de J/m 3 . [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 3,6x10^9 a 7,6x10^11 para las máquinas encuestadas por Soto. El amplio rango de este parámetro se debe a que es una "densidad de energía de almacenamiento" que se traduce en densidad de energía de plasma con diferente eficiencia dependiendo del rendimiento muy diferente de diferentes máquinas. Por lo tanto, para obtener la densidad de energía del plasma necesaria (que se considera casi constante para una producción optimizada de neutrones) se requiere una densidad de almacenamiento inicial muy diferente.
Una red de diez máquinas DPF idénticas opera en ocho países de todo el mundo. Esta red produce artículos de investigación sobre temas que incluyen optimización y diagnóstico de máquinas (rayos X suaves, neutrones, haces de electrones e iones), aplicaciones (microlitografía, micromecanizado, modificación y fabricación de materiales, imágenes y simulación médica y 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 normalmente produce una excelente concordancia entre los resultados calculados y medidos, [12] y está disponible para descargar como Universal Plasma Focus Laboratory Facility. El Instituto de Estudios de Foco de Plasma IPFS [13] fue fundado el 25 de febrero de 2008 para promover el uso correcto e innovador del código del modelo Lee y fomentar la aplicación de experimentos numéricos de foco de plasma. La investigación del IPFS ya ha extendido las leyes de escala de neutrones derivadas numéricamente a experimentos de varios megajulios. [14] Estos están pendientes de verificación. Los experimentos numéricos con el código también han dado como resultado la compilación de una ley de escala global que indica que el conocido efecto de saturación de neutrones se correlaciona mejor con un mecanismo de deterioro de escala. Esto se debe al creciente dominio de la resistencia dinámica de la fase axial a medida que la impedancia del banco de capacitores disminuye al aumentar la energía del banco (capacitancia). En principio, la saturación resistiva podría superarse operando el sistema de potencia por impulsos a un voltaje más alto.
El Centro Internacional de Plasmas Denso Magnetizados (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 una 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 de Investigación Foco Plasma desde 1996, coordinado por un Laboratorio Nacional de Plasmas Denso Magnetizados (www.pladema.net) en Tandil, Buenos Aires. El Programa también coopera con la Comisión 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 del Centro, la Universidad de Mar del Plata, la Universidad del 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 mediante interrogación pulsada 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 operativos, mostrando que siempre existe una longitud de pistola y una presión de carga óptimas que maximizan la emisión de neutrones. Actualmente existe un código completo de elementos finitos validado mediante numerosos experimentos, que se puede utilizar con confianza como herramienta de diseño para Plasma Focus.
En Chile, en la Comisión Chilena de Energía Nuclear los experimentos con focos de plasma se han extendido a dispositivos de subkilojulios y las reglas de escalas se han extendido hasta regiones inferiores a un julio. [15] [16] [17] [18] Sus estudios han contribuido a saber que es posible escalar el foco de plasma en una amplia gama de energías y tamaños manteniendo el mismo valor de densidad iónica, campo magnético, velocidad de la vaina del plasma, Alfvén. velocidad y la cantidad de energía por partícula. Por lo tanto, las reacciones de fusión se pueden obtener incluso en dispositivos ultraminiaturas (accionadas por generadores de 0,1 J, por ejemplo), al igual que en los dispositivos más grandes (accionadas por generadores de 1 MJ). Sin embargo, la estabilidad del pinchazo de plasma depende en gran medida del tamaño y la energía del dispositivo. [8] Una fenomenología del plasma rico se ha observado en los dispositivos de foco de plasma de sobremesa desarrollados en la Comisión de Energía Nuclear de Chile: estructuras filamentosas, [19] singularidades toroidales, [20] explosiones de plasma [21] y generaciones de chorros de plasma. [22] Además, se exploran posibles aplicaciones de 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 y fisión nuclear [23] y el uso de dispositivos de enfoque de plasma como aceleradores de plasma para estudios de materiales bajo intensos pulsos relevantes para la fusión. [24] Además, la Comisión Chilena de Energía Nuclear opera actualmente la instalación SPEED-2, la instalación Plasma Focus más grande del hemisferio sur.
Desde principios de 2009, se han puesto en funcionamiento una serie de nuevas máquinas de enfoque de plasma, entre ellas el INTI Plasma Focus en Malasia, el NX3 en Singapur, el primer enfoque de plasma que se puso en funcionamiento en una universidad estadounidense en los últimos tiempos, el KSU Plasma Focus en la Universidad Estatal de Kansas, que registró su primer pellizco 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 bajos en neutrones como el p-B11. La viabilidad de la potencia neta de p-B11 en el DPF requiere que las pérdidas de bremsstrahlung se reduzcan mediante efectos de la mecánica cuántica 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 ciclotrón , pero en las densidades previstas, donde la frecuencia del plasma es mayor que la frecuencia del ciclotrón , la mayor parte de esta energía será reabsorbida antes de perderse del plasma. Otra ventaja reivindicada es la capacidad de conversión directa de la energía de los productos de fusión en electricidad, con una eficiencia potencialmente superior al 70%.
Se están llevando a cabo experimentos y simulaciones por computadora para investigar la capacidad del DPF para generar energía de fusión en Lawrenceville Plasma Physics (LPP) bajo la dirección de Eric Lerner , quien explicó su enfoque "Focus Fusion" en una charla técnica de Google en 2007. [25] El 14 de noviembre de 2008, Lerner recibió financiación para continuar la investigación, para probar la viabilidad científica de Focus Fusion. [26]
El 15 de octubre de 2009, el dispositivo DPF "Focus Fusion-1" logró su primer pellizco. [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 del DPF. [28] En marzo de 2012, la empresa anunció que había alcanzado temperaturas de 1.800 millones de grados, superando el antiguo récord de 1.100 millones que se había conservado desde 1978. [29] [30] En 2016, la empresa anunció que había alcanzado una temperatura de 1.800 millones de grados. rendimiento de fusión de 0,25 julios. [31] En 2017, la empresa redujo las impurezas en masa 3 veces y el número de iones 10 veces. El rendimiento de la fusión aumentó en un 50%. El rendimiento de la 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 con descarga en corona redujeron la desviación estándar del rendimiento de la fusión en 4 veces hasta aproximadamente un 15%. [32]
En 2019, el equipo llevó a cabo una serie de experimentos reemplazando electrodos de tungsteno por electrodos de berilio (denominado Focus Fusion 2B). Después de 44 disparos, el electrodo formó una capa de óxido de 10 nm mucho más delgada con, correspondientemente, menos impurezas y menos erosión del electrodo que con los electrodos de tungsteno. El rendimiento de la fusión alcanzó 0,1 julios. El rendimiento en general aumentó y las impurezas disminuyeron con un número creciente de disparos. [33]
