Alcator C-Mod fue un tokamak (un tipo de dispositivo de fusión confinado magnéticamente ) que funcionó entre 1991 y 2016 en el Centro de Ciencia y Fusión del Plasma (PSFC) del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT ). Destacado por su alto campo magnético toroidal (de hasta 8 Tesla ), Alcator C-Mod ostenta el récord mundial de presión de plasma promediada por volumen en un dispositivo de fusión confinado magnéticamente. [1] Hasta su cierre en 2016, fue una de las principales instalaciones de investigación sobre fusión de los Estados Unidos.
El Alcator C-Mod fue el tercero de la serie de tokamak Alcator ( Al to Campo Toro , High Field Torus), después del Alcator A (1973-1979) y el Alcator C (1978-1987). Fue el reactor de fusión más grande operado por cualquier universidad y fue parte integral del Centro de Ciencia y Fusión del Plasma.
A finales de los años 1960, la investigación sobre fusión por confinamiento magnético en el MIT se llevó a cabo en experimentos de "sobremesa" a pequeña escala en el Laboratorio de Investigación de Electrónica y el Laboratorio de Imanes Francis Bitter . En ese momento, la Unión Soviética estaba desarrollando un tokamak (aunque esto era desconocido en los Estados Unidos), y el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) estaba desarrollando el estelarador .
Bruno Coppi trabajaba en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton (Nueva Jersey) y estaba interesado en el problema básico de la física del plasma, la resistividad del plasma a valores elevados del parámetro de flujo, así como en el comportamiento de los plasmas confinados magnéticamente a intensidades de campo muy elevadas (≥ 10 T). En 1968, Coppi asistió a la tercera Conferencia Internacional del OIEA sobre Física del Plasma e Investigación de la Fusión Nuclear Controlada en Novosibirsk . En esta conferencia, los científicos soviéticos anunciaron que habían logrado temperaturas de electrones superiores a 1000 eV en un dispositivo tokamak (T-3).
Ese mismo año, Coppi fue nombrado profesor titular del Departamento de Física del MIT . Inmediatamente colaboró con los ingenieros del Laboratorio Francis Bitter Magnet , dirigido por Bruce Montgomery, para diseñar un tokamak compacto (radio mayor de 0,54 m) y de alto campo (10 T en el eje ) al que denominó Alcator . El nombre es un acrónimo del italiano Al to Campo Tor o , que significa "toro de alto campo". Con la posterior construcción del Alcator C y luego del Alcator C-Mod, el Alcator original fue renombrado retroactivamente como Alcator A.
Alcator fue aprobado por la Comisión de Energía Atómica (AEC) en 1970 y se puso en funcionamiento por primera vez en 1972. Los problemas de rendimiento (vacío de mala calidad y arcos eléctricos en los imanes de campo toroidal) llevaron a la reconstrucción de la máquina en 1973-1974 con un nuevo recipiente de vacío, con resultados científicos a partir de 1974. Alcator A estaba propulsado por los motores-generadores de CC de 32 MW del Laboratorio Bitter y fue el primer tokamak del mundo en utilizar un transformador de núcleo de aire para el accionamiento de corriente óhmica y el calentamiento.
El éxito del Alcator A condujo al diseño conceptual, a principios de 1975, de una máquina más grande llamada Alcator B. Sin embargo, los motores-generadores utilizados para el Alcator A no eran lo suficientemente potentes para impulsar la nueva máquina, por lo que fue necesario comprar e instalar nuevas fuentes de alimentación, un coste que la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA) no estaba dispuesta a financiar. Sin embargo, la ERDA estaba entusiasmada con la idea de construir otro Alcator y se encontró una solución: Con Ed donó al MIT un alternador de 225 MVA de una planta en el East River de la ciudad de Nueva York. El diseño conceptual se modificó para dar cabida a la fuente de alimentación diferente y el proyecto pasó a llamarse Alcator C.
El Alcator C fue autorizado oficialmente en 1976. Ese mismo año, el Plasma Fusion Center (actualmente Plasma Science and Fusion Center) se separó del Francis Bitter Magnet Laboratory. La construcción del Alcator C avanzó rápidamente y las pruebas iniciales se llevaron a cabo a fines de 1977. El alternador llegó de Con Ed a principios de 1978 (su transporte se complicó por la tormenta de nieve de 1978 ) y se incorporó al sistema en el verano de 1978. Las operaciones científicas comenzaron en septiembre de ese año.
Alcator C era una máquina más grande ( R 0 = 0,64 m) y operaba en un campo más alto ( B 0 ≤ 13 T) que Alcator A. Con la adición de 4 MW de calentamiento híbrido más bajo en 1982, se alcanzaron temperaturas de electrones superiores a 3,0 keV. Si bien Alcator C originalmente no tenía el tiempo de confinamiento de energía esperado, debido al inicio de la turbulencia del gradiente de temperatura de iones a altos valores de , se utilizó el combustible de pellets para producir perfiles de densidad pico y se lograron valores del producto n τ de más de 0,8 × 10 20 s·m −3 en 1983.
Varias ideas para nuevos dispositivos y mejoras en el PSFC nunca fueron financiadas. De 1978 a 1980, se llevó a cabo una actividad de diseño para Alcator D, una versión más grande de Alcator C que permitiría una mayor potencia de calentamiento y posiblemente incluso un funcionamiento con deuterio-tritio (D-T). Este diseño nunca fue propuesto formalmente al Departamento de Energía (DOE), pero continuó evolucionando bajo la dirección de Coppi, y finalmente se convirtió en el dispositivo IGNITOR italo-ruso planificado para su construcción en TRINITY cerca de Troitsk , Rusia.
En 1982 se concibió otro dispositivo más ambicioso, llamado Alcator DCT. Esta máquina tendría bobinas superconductoras que producirían 7 T en el eje. Un impulso de corriente híbrida de 4 MW más bajo impulsaría un plasma de estado estable con una corriente de plasma de 1,4 MA. Como este diseño era similar al Tore Supra francés , se celebró un taller conjunto franco-estadounidense en Cadarache en 1983 para comparar los dos diseños e intercambiar ideas. El Alcator DCT se propuso formalmente al DOE a fines de 1983, pero no recibió financiación.
En ese momento, el presupuesto para la investigación de la energía de fusión magnética en los Estados Unidos había aumentado año tras año, alcanzando un pico de 468,4 millones de dólares en el año fiscal 1984. Ese año, se notificó a la PSFC que, durante un tiempo, los presupuestos se reducirían y que la política del DOE sería financiar únicamente actualizaciones de los dispositivos existentes, no máquinas nuevas. Por lo tanto, se comenzó el trabajo de diseño de una máquina de bobina de cobre que reutilizaría algunas de las fuentes de alimentación de Alcator C, lo que permitió al equipo presentarla como una "modificación" de Alcator C. El diseño conceptual se completó y Alcator C-Mod se propuso formalmente al DOE a fines de 1985. El proyecto fue aprobado y la construcción se autorizó en 1986.
Alcator C-Mod utiliza calentamiento por radiofrecuencia de ciclotrón iónico (ICRF) como fuente de calentamiento auxiliar principal. La frecuencia de la fuente es de 80 MHz y los escenarios de calentamiento minoritario estándar son D(H) para 4,4–6,9 T y D(3He) para operación de campo alto (7,3–8,0 T). [2] Se indica una especie minoritaria (hidrógeno o He3), y los escenarios ICRH utilizan un plasma de dos componentes.
La eficiencia de absorción varía con la concentración de la minoría. También es posible realizar la transición entre el calentamiento de la minoría y el de conversión modal (MC) variando la concentración de la especie minoritaria. La fracción relativa de H se puede escanear desde aproximadamente el 2-30% mediante el soplado de gas y medirse utilizando el intercambio pasivo de carga. [2] La concentración relativa de la fracción de He3 también se puede escanear desde aproximadamente el 2-30% mediante el soplado de gas. La obtención de imágenes por contraste de fase (PCI) se puede utilizar para medir las ondas convertidas de modo directamente en el plasma.
El calentamiento minoritario es el escenario más común utilizado en C-Mod. El sistema de calentamiento ICRF opera a 80 MHz en plasmas D(H). Esta frecuencia corresponde a la resonancia ciclotrónica fundamental minoritaria en el eje de protones a 5,3 T y a la absorción de ondas rápidas por especies minoritarias de hidrógeno en un plasma de deuterio. Puede ser muy eficiente (la absorción de paso único típica en C-Mod es del 80-90% para concentraciones minoritarias del 5-10%). [3] El calentamiento minoritario a 80 MHz y 7,9 T en un plasma mayoritario de deuterio se logra utilizando la resonancia minoritaria He3 (en el eje), pero la absorción de paso único con iones minoritarios He3 en deuterio tiende a ser mucho menor que para los protones [3] (por ejemplo, el escenario de calentamiento minoritario a 5,3-5,4 T).
La conversión de modos de una onda magnetosónica rápida a una onda ciclotrónica iónica y a una onda Bernstein iónica en el rango de frecuencias ciclotrónicas iónicas (ICRF) se puede utilizar para calentar electrones. El calentamiento por conversión de modos se realiza en C-Mod utilizando la ICRF en plasmas D(3He). [2]
El accionamiento de corriente híbrida inferior (LHCD) (basado en la oscilación híbrida inferior ) se utiliza para complementar la corriente impulsada por el transformador óhmico . El sistema LHCD es capaz de entregar 1,0+ MW de potencia de microondas (actualización planificada a 2 MW o más con la adición de una segunda antena en 2013 [ necesita actualización ] ) al plasma a 4,6 GHz. La energía es proporcionada por amplificadores de microondas klystron de 250 kW fabricados por CPI, Inc. Se logró un funcionamiento no inductivo para pulsos de hasta 0,5 s a 500 kA. Las ondas híbridas inferiores se lanzan preferentemente en la dirección opuesta a la corriente de plasma (es decir, en la dirección del viaje de los electrones) y depositan energía en los electrones que se mueven aproximadamente a tres veces la velocidad térmica a través de la amortiguación de Landau . Un área importante de la investigación LHCD ha sido el área del accionamiento de corriente a las altas densidades (n e > 10 20 m −3 ) requeridas para una planta de energía de fusión.
El cierre de Alcator C-Mod estaba previsto para octubre de 2013. Sin embargo, el proyecto de ley de gastos generales del Congreso de 2014 especificó explícitamente la operación del experimento, al destinar 22 millones de dólares. La operación experimental se reanudó en febrero de 2014.
La financiación se extendió una vez más para el año fiscal 2015, aunque el proyecto de ley ómnibus que proporcionó la financiación declaró explícitamente que no se proporcionaría financiación más allá del año fiscal 2016. [4] [5]
En 2016, Alcator C-Mod estableció un récord mundial de presión de plasma en un dispositivo de fusión confinado magnéticamente, alcanzando 2,05 atmósferas, un salto del 15 por ciento sobre el récord anterior de 1,77 atmósferas (también en poder de Alcator C-Mod). Este plasma récord tuvo una temperatura de 35 millones de grados C, duró 2 segundos y produjo 600 billones de reacciones de fusión. [6] La prueba implicó una operación con un campo magnético toroidal de 5,7 teslas. Alcanzó este hito en su último día de operación. [7]
Tras finalizar las operaciones a finales de septiembre de 2016, la instalación se ha puesto en estado de parada segura y no se han planificado experimentos adicionales por el momento. Hay una gran cantidad de datos archivados de los más de 20 años de operaciones, y los equipos experimentales y teóricos siguen analizando los resultados y publicándolos en la literatura científica. [8]
El récord de presión de plasma de 2,05 atmósferas del Alcator C-Mod probablemente se mantendrá durante algún tiempo. La única máquina que se encuentra actualmente en construcción y que se prevé que rompa este récord es el tokamak ITER en Francia. No se espera que el ITER esté completamente operativo hasta 2032, lo que significa que el récord del Alcator C-Mod se mantendrá durante 15 años a menos que se construya otro dispositivo nuevo antes de esa fecha. [1]
