Dispositivo de confinamiento de plasma por campo magnético
El perfil q en un pinchazo de campo invertidoEl campo poloidal en un pinzamiento de campo invertido
Un pinch de campo invertido ( RFP ) es un dispositivo utilizado para producir y contener plasmas casi termonucleares . Es un pinch toroidal que utiliza una configuración de campo magnético única como esquema para confinar magnéticamente un plasma, principalmente para estudiar la fusión por confinamiento magnético . Su geometría magnética es algo diferente a la de un tokamak . A medida que uno se mueve radialmente, la parte del campo magnético que apunta toroidalmente invierte su dirección, dando lugar al término campo invertido . Esta configuración se puede sostener con campos comparativamente más bajos que el de un tokamak de densidad de potencia similar. Una de las desventajas de esta configuración es que tiende a ser más susceptible a los efectos no lineales y la turbulencia. Esto lo convierte en un sistema útil para estudiar la magnetohidrodinámica no ideal (resistiva) . Los RFP también se utilizan para estudiar plasmas astrofísicos , que comparten muchas características comunes.
El dispositivo de campo invertido más grande que se encuentra en funcionamiento actualmente es el RFX (R/a = 2/0,46) en Padua , Italia . Otros dispositivos son el MST (R/a = 1,5/0,5) en los Estados Unidos, el EXTRAP T2R (R/a = 1,24/0,18) en Suecia, el RELAX (R/a = 0,51/0,25) en Japón y el KTX (R/a = 1,4/0,4) en China.
Características
A diferencia del Tokamak , que tiene un campo magnético mucho mayor en la dirección toroidal que en la dirección poloidal, un RFP tiene una intensidad de campo comparable en ambas direcciones (aunque el signo del campo toroidal se invierte). Además, un RFP típico tiene una intensidad de campo de aproximadamente la mitad a una décima parte de la de un Tokamak comparable. El RFP también depende de la corriente de conducción en el plasma para reforzar el campo de los imanes a través del efecto dinamo.
Topología magnética
El campo interno en una RFP
El pinzamiento del campo inverso actúa hacia un estado de energía mínima .
Las líneas de campo magnético se enrollan libremente alrededor de un toro central y se enrollan hacia afuera. Cerca del borde del plasma, el campo magnético toroidal se invierte y las líneas de campo se enrollan en la dirección inversa.
Los campos internos son mayores que los campos en los imanes .
RFP en investigación de fusión: comparación con otras configuraciones de confinamiento
La RFP tiene muchas características que la convierten en una configuración prometedora para un potencial reactor de fusión.
Ventajas
Imanes superconductores:
Es posible que las RFP no necesiten imanes superconductores , lo que proporciona una ventaja significativa sobre los tokamaks.
Los imanes superconductores son delicados, costosos y deben protegerse del entorno de fusión rico en neutrones.
La concha como bobina magnética:
Algunos experimentos RFP, como el Toro Simétrico de Madison , utilizan una carcasa ajustada como bobina magnética.
El paso de corriente a través de la propia carcasa resulta atractivo para el diseño del reactor.
Una capa de cobre sólido podría ser más resistente a los neutrones de alta energía que los imanes superconductores.
Inestabilidades superficiales:
Las RFP son susceptibles a inestabilidades superficiales, lo que requiere una carcasa bien ajustada.
Existe la posibilidad de que un pinchazo de campo invertido pueda lograr el encendido únicamente con energía óhmica.
Esto implica conducir corriente a través del plasma y generar calor a partir de resistencia eléctrica en lugar de mediante resonancia ciclotrón electrónica , lo que simplifica potencialmente el diseño del reactor en comparación con los tokamaks.
Sin embargo, es posible que no funcione en estado estable.
Desventajas
Varias áreas clave presentan desafíos en el desarrollo de reactores RFP. Los investigadores están trabajando activamente para encontrar soluciones a estos problemas:
Mecanismos de accionamiento por corriente: los dispositivos RFP actuales se basan en un método conocido como accionamiento por corriente óhmica, que tiene limitaciones. Los investigadores están explorando técnicas de accionamiento por corriente alternativas para mejorar la eficiencia y el control.
Mitigación del modo de desgarro: los plasmas RFP son susceptibles a los modos de desgarro, que pueden afectar negativamente el rendimiento. El desarrollo de métodos de control activo para estos modos es crucial para lograr un confinamiento estable del plasma.
Optimización del confinamiento del plasma: los dispositivos RFP actuales logran tiempos de confinamiento del plasma más bajos en comparación con los tokamaks . Se están realizando investigaciones para optimizar el confinamiento del plasma en los RFP, incluida la investigación del impacto del tamaño del dispositivo a través de proyectos como el Madison Symmetric Torus (MST).
Consideraciones sobre el diseño de la carcasa: el diseño de la RFP requiere una carcasa conductora ubicada cerca del plasma, lo que presenta desafíos de ingeniería para el diseño del reactor. La investigación se centra en optimizar la configuración de la carcasa para equilibrar el rendimiento y la practicidad.
Estrategias de mantenimiento para sistemas de control de plasma: ciertos diseños de RFP utilizan sistemas de bobinas complejos para el control del plasma. La proximidad de estas bobinas al entorno de plasma de alta temperatura requiere el desarrollo de estrategias de mantenimiento sólidas para garantizar su funcionalidad a largo plazo.
Investigación en física del plasma
El fenómeno de pinzamiento de campo inverso también es interesante desde el punto de vista de la física. La dinámica de los RFP es muy turbulenta. Los RFP también presentan un potente dinamo de plasma, similar al de muchos cuerpos astrofísicos. La ciencia básica del plasma es otro aspecto importante de la investigación del fenómeno de pinzamiento de campo inverso.
Medición del flujo de electrones supertérmicos y de la temperatura en un experimento de pinzamiento de campo inverso mediante un analizador de energía de electrones electrostático
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