La Princeton Field Reversed Configuration ( PFRC ) es una serie de experimentos en física del plasma , un programa experimental para evaluar una configuración para un reactor de potencia de fusión , en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). El experimento investiga la dinámica de configuraciones de campo invertido (FRC) de pulso largo, sin colisiones, [1] de bajo parámetro s [2] formadas con campos magnéticos giratorios de paridad impar. [3] [4] Las FRC son la evolución de la idea original del ingeniero griego Nicholas C. Christofilos de capas E que desarrolló para el reactor de fusión Astron . [5] El programa PFRC tiene como objetivo verificar experimentalmente las predicciones físicas de que tales configuraciones son globalmente estables y tienen niveles de transporte comparables con la difusión magnética clásica. [2] También tiene como objetivo aplicar esta tecnología al concepto de unidad de fusión directa para la propulsión de naves espaciales. [6]
El PFRC fue financiado inicialmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . En sus inicios, funcionó simultáneamente con otros reactores de recuperación de combustible nuclear (RMF-FRC), como el experimento de mantenimiento del confinamiento de la traducción (TCS) y el Rotamak Prairie View (PV Rotamak).
En la PPPL, el experimento PFRC-1 se desarrolló entre 2008 y 2011. [7] El PFRC-2 se está desarrollando desde 2023. [actualizar]El PFRC-3 está programado para el próximo año. El PFRC-4 está programado para fines de la década de 2020. [7]
Hasta 2023 [actualizar]no se había logrado la fusión.
Los experimentos PFRC-1 y PFRC-2 han calentado electrones a energías superiores a 100 eV y duraciones de plasma de 300 ms, más de 10 4 veces más que el tiempo de crecimiento de la inestabilidad de inclinación previsto. [8]
La corriente eléctrica que forma la configuración de campo invertido (FRC) en el PFRC es impulsada por un campo magnético rotatorio (RMF). Este método ha sido bien estudiado y ha producido resultados favorables en la serie de experimentos de Rotamak. [9] Sin embargo, los campos magnéticos rotatorios aplicados en estos y otros experimentos (los llamados RMF de paridad par ) inducen la apertura de las líneas de campo magnético. Cuando se aplica un campo magnético transversal al campo magnético de equilibrio axisimétrico de la FRC, en lugar de que las líneas de campo magnético se cierren sobre sí mismas y formen una región cerrada, giran en espiral en la dirección azimutal y finalmente cruzan la superficie de la separatriz que contiene la región cerrada de la FRC. [3]
El PFRC utiliza antenas RMF que producen un campo magnético que cambia de dirección sobre un plano de simetría orientado con su normal a lo largo del eje, a la mitad de la longitud del eje de la máquina. Esta configuración se denomina campo magnético rotatorio de paridad impar (RMF o ). Dichos campos magnéticos, cuando se añaden en pequeña magnitud a los campos magnéticos de equilibrio axisimétricos, no provocan la apertura de las líneas de campo magnético y se conserva la topología general. [3] La magnitud del umbral crítico del campo magnético rotatorio de "paridad impar" que abre las líneas de campo magnético de equilibrio axisimétrico y cambia fundamentalmente la topología del campo es bastante alta. [10] Por lo tanto, no se espera que el RMF contribuya al transporte de partículas y energía fuera del núcleo del PFRC.
En un FRC, el nombre de parámetro s se da a la relación entre la distancia entre el nulo magnético y la separatriz, y el radio de Larmor del ion térmico. Esa es la cantidad de órbitas de iones que pueden caber entre el núcleo del FRC y donde se encuentra con el plasma en masa. [2] Un FRC de s alto tendría radios de giro de iones muy pequeños en comparación con el tamaño de la máquina. Por lo tanto, con un parámetro s alto, se aplica el modelo de magnetohidrodinámica (MHD). [11] MHD predice que el FRC es inestable al "modo de inclinación n = 1", en el que el campo invertido se inclina 180 grados para alinearse con el campo magnético aplicado, destruyendo el FRC.
Se predice que un FRC de s bajo será estable en el modo de inclinación. [11] Un parámetro s menor o igual a 2 es suficiente para este efecto. Sin embargo, solo dos radios de iones entre el núcleo caliente y la masa fría significa que, en promedio, solo dos períodos de dispersión (cambios de velocidad de 90 grados en promedio) son suficientes para eliminar un ion caliente relevante para la fusión del núcleo del plasma. Por lo tanto, la elección es entre iones de alto parámetro s que están clásicamente bien confinados pero convectivamente mal confinados, e iones de bajo parámetro s que están clásicamente mal confinados pero convectivamente bien confinados.
El PFRC tiene un parámetro s entre 1 y 2. [2] Se predice que la estabilización del modo de inclinación ayudará al confinamiento más de lo que el pequeño número de colisiones tolerables dañará el confinamiento.
Los científicos de Princeton Satellite Systems están trabajando en un nuevo concepto llamado Direct Fusion Drive (DFD), que se basa en el PFRC pero tiene un extremo abierto a través del cual fluye el escape para generar empuje. [7] Produciría energía eléctrica y propulsión a partir de un único reactor de fusión compacto. El primer estudio y modelado conceptual (Fase I NASA NIAC) se publicó en 2017, [12] y se propuso para alimentar el sistema de propulsión de un orbitador y un módulo de aterrizaje de Plutón . [12] [13] Agregar propulsor al flujo de plasma frío da como resultado un empuje variable cuando se canaliza a través de una boquilla magnética. El modelado sugiere que el DFD podría producir 5 Newtons de empuje por cada megavatio de energía de fusión generada. [14] Aproximadamente el 35% de la energía de fusión se destina al empuje, el 30% a la energía eléctrica, el 25% se pierde en calor y el 10% se recircula para el calentamiento por radiofrecuencia (RF). [12] El concepto recibió una Fase II para avanzar aún más en el diseño y el blindaje. [15]