El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton ( PPPL ) es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos para la física del plasma y la ciencia de la fusión nuclear . Su misión principal es la investigación y el desarrollo de la fusión como fuente de energía . Es conocido por el desarrollo de los diseños del stellarator y el tokamak , junto con numerosos avances fundamentales en la física del plasma y la exploración de muchos otros conceptos de confinamiento del plasma.
El PPPL surgió del proyecto secreto de la Guerra Fría para controlar las reacciones termonucleares, llamado Proyecto Matterhorn . El foco de este programa cambió de las bombas H a la energía de fusión en 1951, cuando Lyman Spitzer desarrolló el concepto de estelarizador y recibió financiación de la Comisión de Energía Atómica para estudiar el concepto. Esto dio lugar a una serie de máquinas en las décadas de 1950 y 1960. En 1961, después de la desclasificación, el Proyecto Matterhorn pasó a llamarse Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. [2]
Los stellarators de PPPL demostraron no poder cumplir con sus objetivos de rendimiento. En 1968, las afirmaciones soviéticas sobre el excelente rendimiento de sus tokamaks generaron un intenso escepticismo y, para probarlo, el stellarator Modelo C de PPPL se convirtió en un tokamak. Verificó las afirmaciones soviéticas y, desde entonces, PPPL ha sido un líder mundial en la teoría y el diseño de tokamaks, construyendo una serie de máquinas que batieron récords, incluido el Princeton Large Torus , el TFTR y muchos otros. También se construyeron docenas de máquinas más pequeñas para probar problemas y soluciones particulares, incluido el ATC, el NSTX y el LTX .
PPPL está ubicada en el campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro Township , Nueva Jersey .
En 1950, John Wheeler estaba creando un laboratorio secreto de investigación de bombas H en la Universidad de Princeton . Lyman Spitzer, Jr. , un entusiasta montañista, conocía este programa y sugirió el nombre de "Proyecto Matterhorn". [3]
Spitzer, profesor de astronomía, había estado involucrado durante muchos años en el estudio de gases enrarecidos muy calientes en el espacio interestelar. Mientras se iba de viaje de esquí a Aspen en febrero de 1951, su padre lo llamó y le dijo que leyera la portada del New York Times . El periódico tenía una historia sobre las afirmaciones publicadas el día anterior en Argentina de que un científico alemán relativamente desconocido llamado Ronald Richter había logrado la fusión nuclear en su Proyecto Huemul . [4] Spitzer finalmente desestimó estas afirmaciones, y más tarde se demostró que eran erróneas, pero la historia lo hizo pensar en la fusión. Mientras viajaba en telesilla en Aspen, se le ocurrió un nuevo concepto para confinar un plasma durante largos períodos para que pudiera calentarse a temperaturas de fusión. Llamó a este concepto el estelarizador .
Más tarde, ese mismo año, presentó este diseño a la Comisión de Energía Atómica en Washington. Como resultado de esta reunión y de una revisión del invento por parte de científicos de todo el país, la propuesta del stellarator recibió financiación en 1951. Como el dispositivo produciría neutrones de alta energía , que podrían utilizarse para producir combustible para armas, el programa se clasificó y se llevó a cabo como parte del Proyecto Matterhorn. Matterhorn finalmente dejó de participar en el campo de las bombas en 1954, dedicándose por completo al campo de la energía de fusión.
En 1958, esta investigación sobre fusión magnética fue desclasificada tras la Conferencia Internacional de las Naciones Unidas sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica . Esto generó una afluencia de estudiantes de posgrado ansiosos por aprender la "nueva" física, lo que a su vez influyó en el laboratorio para que se concentrara más en la investigación básica. [5]
Los primeros stellarators en forma de 8 incluían: Modelo A, Modelo B, Modelo B2, Modelo B3. [6] El Modelo B64 era un cuadrado con esquinas redondeadas, y el Modelo B65 tenía una configuración de pista de carreras. [6] El último y más potente stellarator en ese momento fue el Modelo C "de pista de carreras" (que funcionó entre 1961 y 1969). [7]
A mediados de los años 60, ya estaba claro que algo no iba bien con los estellaradores, ya que perdían combustible a un ritmo muy superior al previsto por la teoría, un ritmo que se llevaba del plasma una energía que superaba con creces la que las reacciones de fusión podrían producir jamás. Spitzer se mostró extremadamente escéptico respecto de la posibilidad de la energía de fusión y expresó esta opinión de forma muy pública en 1965, en una reunión internacional celebrada en el Reino Unido. En la misma reunión, la delegación soviética anunció resultados unas diez veces mejores que los de cualquier dispositivo anterior, lo que Spitzer descartó como un error de medición.
En la siguiente reunión, en 1968, los soviéticos presentaron datos considerables de sus dispositivos que mostraban un rendimiento aún mayor, unas 100 veces el límite de difusión de Bohm . Se desató una enorme discusión entre la AEC y los diversos laboratorios sobre si esto era real. Cuando un equipo del Reino Unido verificó los resultados en 1969, la AEC sugirió a PPPL convertir su Modelo C en un tokamak para probarlo, ya que el único laboratorio dispuesto a construir uno desde cero, Oak Ridge , necesitaría algo de tiempo para construir el suyo. Al ver la posibilidad de ser ignorado en el campo de la fusión, PPPL finalmente aceptó convertir el Modelo C en lo que se convirtió en el Tokamak Simétrico (ST), verificando rápidamente el enfoque.
Dos máquinas pequeñas siguieron a la ST, explorando formas de calentar el plasma, y luego el Princeton Large Torus (PLT) para probar si la teoría de que las máquinas más grandes serían más estables era cierta. A partir de 1975, PLT verificó estas "leyes de escala" y luego agregó la inyección de haz neutro desde Oak Ridge que resultó en una serie de temperaturas de plasma récord, que finalmente alcanzaron los 78 millones de kelvin , mucho más allá de lo que se necesitaba para un sistema de energía de fusión práctico. Su éxito fue una gran noticia.
Con esta serie de éxitos, PPPL no tuvo muchos problemas para ganar la licitación para construir una máquina aún más grande, diseñada específicamente para alcanzar el "punto de equilibrio" mientras funcionaba con un combustible de fusión real, en lugar de un gas de prueba. Esto produjo el Reactor de Prueba de Fusión Tokamak , o TFTR, que se completó en 1982. Después de un largo período de rodaje, el TFTR comenzó a aumentar lentamente la temperatura y la densidad del combustible, al tiempo que introducía gas deuterio como combustible. En abril de 1986, demostró una combinación de densidad y confinamiento, el llamado producto triple de fusión , muy por encima de lo que se necesitaba para un reactor práctico. En julio, alcanzó una temperatura de 200 millones de kelvin, mucho más allá de lo que se necesitaba. Sin embargo, cuando el sistema funcionó con ambas condiciones al mismo tiempo, un producto triple y una temperatura suficientemente altos, el sistema se volvió inestable. Tres años de esfuerzo no lograron abordar estos problemas, y el TFTR nunca alcanzó su objetivo. [8] El sistema continuó realizando estudios básicos sobre estos problemas hasta que fue cerrado en 1997. [9] A partir de 1993, TFTR fue el primero en el mundo en utilizar mezclas 1:1 de deuterio y tritio . En 1994 produjo una cantidad sin precedentes de 10,7 megavatios de energía de fusión. [9]
En 1999, el Experimento Nacional de Toro Esférico (NSTX), basado en el concepto de tokamak esférico, entró en funcionamiento en el PPPL.
El calentamiento por paridad impar se demostró en el experimento PFRC-1 de 4 cm de radio en 2006. El PFRC-2 tiene un radio de plasma de 8 cm. Los estudios de calentamiento de electrones en PFRC-2 alcanzaron los 500 eV con longitudes de pulso de 300 ms. [10]
En 2015, PPPL completó una actualización de NSTX para producir NSTX-U, que lo convirtió en la instalación de fusión experimental, o tokamak, más potente de su tipo en el mundo. [11]
En 2017, el grupo recibió una subvención NIAC de Fase II junto con dos STTR de la NASA que financiaron el subsistema de RF y el subsistema de bobina superconductora. [10]
En 2024, el laboratorio anunció MUSE, un nuevo estelarizador . MUSE utiliza imanes permanentes de tierras raras con una intensidad de campo que puede superar los 1,2 teslas . El dispositivo utiliza cuasasimetría, un subtipo de cuasisimetría . El equipo de investigación afirmó que su uso de la cuasisimetría era más sofisticado que el de los dispositivos anteriores. [12] También en 2024, PPL anunció un modelo de aprendizaje de refuerzo que podía predecir inestabilidades del modo de desgarro con hasta 300 milisegundos de antelación. Ese es tiempo suficiente para que el controlador de plasma ajuste los parámetros operativos para evitar el desgarro y mantener el rendimiento del modo H. [13] [14]
En 1961, Gottlieb se convirtió en el primer director del renombrado Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. [15] [16]
Los científicos de laboratorio están colaborando con investigadores en ciencia y tecnología de fusión en otras instalaciones, entre ellas DIII-D en San Diego, EAST en China, JET en el Reino Unido, KSTAR en Corea del Sur, LHD en Japón, el dispositivo Wendelstein 7-X (W7-X) en Alemania y el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) en Francia. [22]
PPPL gestiona las actividades del proyecto ITER de EE. UU. junto con Oak Ridge National Laboratory y Savannah River National Laboratory . El laboratorio entregó el 75% de los componentes para la red eléctrica del experimento de energía de fusión en 2017 y ha liderado el diseño y la construcción de seis herramientas de diagnóstico para analizar los plasmas del ITER. El físico de PPPL, Richard Hawryluk, se desempeñó como subdirector general del ITER de 2011 a 2013. En 2022, el personal de PPPL desarrolló con investigadores de otros laboratorios y universidades nacionales durante varios meses un plan de investigación del ITER de EE. UU. durante el Taller conjunto sobre las necesidades de investigación en ciencias de la energía de fusión. [23]
El personal está aplicando los conocimientos adquiridos en la investigación sobre la fusión a una serie de áreas teóricas y experimentales, entre ellas la ciencia de los materiales , la física solar , la química y la fabricación . El PPPL también tiene como objetivo acelerar el desarrollo de la energía de fusión mediante el desarrollo de un mayor número de asociaciones público-privadas. [24] [25] [26]
La ruta 3 de Tiger Transit llega hasta el campus Forrestal y termina en PPPL.
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