El Experimento de espejos en tándem ( TMX y TMX-U ) fue una máquina de espejos magnéticos operada de 1979 a 1987 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [1] Fue la primera máquina a gran escala en probar el concepto de "espejo tándem" en el que dos espejos atrapaban un gran volumen de plasma entre ellos en un esfuerzo por aumentar la eficiencia del reactor.
El TMX original fue diseñado y construido en un corto período entre su concepción en una importante reunión de física celebrada en Alemania en octubre de 1976, su diseño en enero de 1977 y su finalización en octubre de 1978. Durante el año siguiente, validó el enfoque del espejo tándem. Comenzaron los planes para construir una máquina mucho más grande basada en los mismos principios, el Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Inicialmente, MFTF era solo una versión ampliada de TMX, pero cuando se estudió el diseño se vio que no alcanzaría el rendimiento deseado. Se necesitaba algún sistema que aumentara la temperatura interna del combustible.
Se encontró una solución en forma de " barreras térmicas " que atraparían electrones de alta energía y permitirían aumentar la energía del combustible sin aumentar las fugas. MTFT se modificó para agregar barreras y se convirtió en MTFT-B. Mientras comenzaba la construcción de MFTF-B, se agregaron barreras térmicas a TMX para convertirse en TMX-U en 1982. Si bien TMX-U validó el concepto en general, las barreras térmicas no eran estables. El MFTF-B estaba casi terminado en ese momento y la financiación se canceló al día siguiente de su finalización. TMX-U continuó operando hasta febrero de 1987.
Las máquinas de espejos magnéticos estuvieron entre los primeros diseños serios para reactores de fusión, junto con el stellarator y el z-pinch . La máquina era muy sencilla y consistía en gran parte en un solenoide en el que los cables no estaban enrollados uniformemente sino que tenían zonas en cada extremo con más devanados. Cuando una corriente pasaba por los devanados, el campo magnético resultante pellizcaba los extremos, provocando que los electrones y los iones se reflejaran de regreso al centro y, por lo tanto, permanecieran confinados. Richard F. Post del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) se convirtió en un importante defensor del concepto y Livermore se convirtió en un centro mundial para la investigación de espejos.
En una famosa charla de 1954, Edward Teller expresó su creencia de que las máquinas como el espejo tenían una inestabilidad inherente, hoy conocida como inestabilidad de intercambio , que las haría incapaces de atrapar un plasma durante las escalas de tiempo requeridas. [2] En ese momento, en la infancia del programa, ninguna de las máquinas existentes podía confinar un plasma el tiempo suficiente para ver si esto era cierto. En 1960, Livermore había construido varias máquinas de espejos cada vez más grandes con tiempos de confinamiento más prolongados, y no se pudo encontrar ningún indicio del problema. [3]
El misterio se resolvió en una reunión internacional en 1961 cuando Lev Artsimovich preguntó si los equipos de Livermore habían calibrado un instrumento de medición en particular para tener en cuenta un retraso en sus lecturas. No lo habían hecho; Inmediatamente se dio cuenta de que la estabilidad que se estaba midiendo era ilusoria, la aparente estabilidad de milisegundos era en realidad un retraso de milisegundos en las lecturas, y el plasma se estaba volviendo inestable de inmediato. Artsimovich concluyó que "ahora no tenemos ningún hecho experimental que indique un encierro prolongado y estable". [4]
A diferencia de los equipos de Livermore, sus homólogos soviéticos del Instituto Ioffe ya llevaban algún tiempo viendo señales de inestabilidad en el intercambio. Ya se había investigado mucho sobre cómo evitar este problema, y en la misma reunión de 1961, Mikhail Ioffe presentó datos de uno de esos diseños, el "mínimo-B", que mostraba señales claras de que estaba suprimiendo esta inestabilidad. Este diseño agregó cables portadores de corriente adicionales que modificaron el campo magnético para doblar el plasma en forma de pajarita en lugar de un simple cilindro. Los seis directores eran conocidos como "barras Ioffe". [4]
Una nueva versión del mismo concepto básico surgió en el Reino Unido, la "pelota de tenis", que rápidamente fue adquirida en Livermore, americanizada hasta convertirse en "bobinas de béisbol" y construida en una serie de máquinas conocidas como ALICE, Baseball I y II. Estas máquinas utilizaban un solo imán, lo que las hacía mucho más fáciles de construir y también tenían la ventaja de tener un volumen interno muy grande que facilitaba la inserción de diagnósticos. La desventaja de este diseño era que el imán era muy grande en relación con el volumen de plasma que contenía. Ken Fowler de Livermore tomó este diseño básico y lo modificó para producir la variación "yin-yang", cuyos imanes estaban mucho más cerca del plasma. Esto fue construido en la serie de máquinas 2X. [5]
A medida que las nuevas máquinas de béisbol demostraron una gran estabilidad, pareció que se podría construir un reactor de fusión funcional utilizando este diseño. [6] De los dos diseños, béisbol y yin-yang, los físicos generalmente prefirieron el primero porque tenía un acceso más fácil para los sistemas de diagnóstico, y esto también tendría una ventaja en un reactor real, ya que permitía un acceso más fácil para el mantenimiento. [7]
Estos resultados estaban surgiendo a principios de la década de 1970, que coincidió con la crisis energética de la década de 1970 y la resultante infusión masiva de capital por parte del gobierno federal de Estados Unidos en nuevas formas de energía. La dirección de fusión, ahora bajo la dirección de Robert L. Hirsch , comenzó a desviar los laboratorios de la investigación pura hacia un esfuerzo por hacer un diseño de reactor funcional. El tokamak presentó un camino aparente para ese fin, y Hirsch comenzó a financiar varios grandes proyectos de desarrollo de tokamak en lo que se conoció como la "estampida de tokamak". También deseaba tener al menos un concepto de respaldo en caso de que surgiera algo a medida que los tokamaks crecieran. Los dos diseños más exitosos en ese momento fueron theta pinch y mirrors. [8]
El asistente de Hirsch, Stephen O. Dean , visitó LLNL y les dijo que para permanecer en la carrera, tendrían que producir un diseño que fuera competitivo con los tokamaks en el corto plazo. Señaló que, a este respecto, si bien el béisbol podría ser el mejor diseño, a corto plazo el 2X tenía un mayor rendimiento y más posibilidades de alcanzar a los tokamaks. El personal de LLNL se sintió insultado porque los burócratas de Washington intentaban decirles cómo hacer su trabajo, pero Dean señaló que Hirsch ya había cerrado dos de los otros programas de LLNL, Aston y Levitron . Si el laboratorio no podía demostrar una mejora prácticamente significativa en el rendimiento, también podría perder su programa espejo. Encontró un aliado en el director del laboratorio, John Foster, Jr. , quien estuvo ampliamente de acuerdo con la evaluación de Dean de la situación política. [8]
En respuesta, se redujo el esfuerzo en Baseball II y se diseñó una máquina más grande conocida como 2XIIB en lugar de la 2XII original. El cambio más importante fue la adición de más inyectores de haz neutro , de dos a un total de doce, lo que mejoraría mucho la densidad y temperatura del plasma. 2XIIB se construyó rápidamente y comenzó a operar en 1975, cumpliendo rápidamente los objetivos de rendimiento en términos de temperatura y densidad que se había fijado. [8]
El éxito de 2XIIB permitió a Dean obtener permiso en abril de 1976 para financiar la construcción de lo que era esencialmente una versión ampliada de 2XIIB conocida como MX, fijando la fecha operativa inicial en 1981. [9]
Dean también señaló que a largo plazo, ni el béisbol ni el yin-yang parecían tener ninguna ventaja obvia en términos de ganancia o Q. Si bien MX podría igualar el rendimiento del plasma de los tokamaks más nuevos, los cálculos mostraron que incluso en el mejor de los casos se limitaría a aproximadamente Q = 1,2, mientras que un sistema comercialmente útil probablemente necesitaría tener 10 o más. Los tokamaks no parecían tener ese límite. Para ser relevante después de la próxima serie de diseños, LLNL tendría que encontrar una manera de mejorar Q en gran medida . Esto provocó una considerable discusión sobre el tema de la "mejora Q". [9]
La solución finalmente la proporcionó T. Kenneth Fowler en LLNL más tarde en 1976; él y David Baldwin desarrollaron el concepto ahora conocido como "espejo tándem", en el que se colocaron espejos tipo 2XIIB en cada extremo de un gran solenoide entre ellos. Los dos espejos todavía tendrían un Q relativamente bajo por sí solos, pero con el tiempo el plasma caliente que filtraron naturalmente calentaría el combustible en el solenoide hasta el punto en que también se fusionaría. En ese momento, la cantidad de energía liberada estaba limitada únicamente por el tamaño de este tanque central, que requería mucha menos energía para funcionar que los espejos 2X en cada extremo. Por lo tanto, se fusionaría una cantidad mucho mayor de combustible y sólo se necesitaría una pequeña cantidad de energía adicional. [10]
El problema era que los espejos son naturalmente simétricos, si el combustible pudiera fluir por un extremo hacia el tanque, podría fácilmente fluir por el otro y escapar por completo. Para resolver este problema, el espejo tándem pretendía crear un plasma "ambipolar". Idealmente, esto le permitía contener electrones e iones de manera diferente. Debido a que los iones son mucho más masivos que los electrones, pueden existir a diferentes velocidades simultáneamente, mientras que los electrones casi siempre lo hacen a alta velocidad. Al atrapar un volumen de iones en los espejos, los electrones serían atraídos hacia los dos lados del reactor, formando un área de carga negativa. Los iones de mayor energía que escapen del centro de los espejos serían atraídos preferentemente hacia estas zonas negativas, hacia el centro del reactor. [11]
Con este avance sugiriendo que el espejo estaba en carrera para alcanzar el punto de equilibrio y como reactor práctico, LLNL propuso construir una máquina más pequeña que MX para probar el diseño. Se presentó una propuesta formal al recién formado Departamento de Energía el 12 de enero de 1977 [12] y se aprobó ese mes. Baseball II fue desmantelado y TMX construido en su lugar, iniciando operaciones en octubre de 1978. [10]
La máquina demostró rápidamente que el concepto básico de espejo tándem era sólido. Sobre esta base, LLNL recibió el visto bueno para comenzar la construcción del MFTF, mucho más grande y ahora de 200 millones de dólares. MFTF fue diseñado para alcanzar Q = 1, también conocido como "punto de equilibrio", y demostrar un camino hacia un diseño de producción de energía. [10]
Como los electrones se mueven más libremente en un plasma, tienden a escaparse de una máquina de espejos más rápidamente que los iones del combustible. Con el tiempo, esto hace que la masa del combustible que queda dentro del espejo esté compuesta cada vez más de iones. Esto, a su vez, crea una carga neta positiva, proporcionando fuerzas adicionales que ayudan a empujar el combustible fuera del espejo, aumentando la tasa de fuga. Fue esta fuga la que limitó la Q de la máquina; contrarrestarlo requería imanes extremadamente potentes que exigían grandes cantidades de energía y, por tanto, reducían la producción neta. [10]
Se han hecho varios intentos para solucionar este problema inyectando combustible nuevo en los extremos del espejo utilizando pequeños aceleradores de partículas . En 1979, Fowler, David Baldwin y Grant Logan sugirieron un nuevo diseño para estos inyectores que parecía ser capaz de producir una "barrera térmica" que debería reducir en gran medida las fugas. La idea era inyectar nuevos iones de combustible en los extremos de las celdas del espejo para que la temperatura efectiva en los extremos fuera mayor que en el centro. Esto produjo una barrera cinética para el combustible en el tanque central y pudo reducir significativamente las tasas de fuga, mejorando así aún más la Q. [10]
El avance fue tan grande que parecía que el concepto MFTF existente, esencialmente un TMX ampliado, no serviría para nada. Para probar la barrera del concepto, en 1979 Fowler propuso desconectar TXM una vez que finalizaran sus ejecuciones experimentales actuales en 1981. Luego se reconstruiría con las celdas finales en la nueva configuración, como TMX-U. No se esperaba que TMX-U estuviera disponible hasta 1983, lo que introduciría un largo retraso en el proyecto MFTF si también se iba a utilizar la misma idea en ese diseño. A finales de 1979, Fowler propuso continuar la construcción del MTFT-B con tolerancias para que los inyectores pudieran modificarse si fuera necesario en función de los resultados del TMX-U. El nuevo director de investigación sobre fusión, Ed Kinter, aprobó el plan y el MFTF pasó a ser MFTF-B, que significa "barrera". [10]
Al final, este plan resultó imprudente. Cuando TMX-U comenzó a operar, quedó claro que las mejoras de los nuevos inyectores no estaban ni cerca de lo que se esperaba de ellos. Cuando estos resultados se ampliaron al diseño del MFTF-B, quedó claro que no sería capaz de alcanzar el punto de equilibrio. Se permitió que continuara la construcción del MFTF-B, que ya estaba en marcha, pero el proyecto fue retirado de los fondos y cerrado el 22 de febrero de 1986, el día después de que se declarara completa su construcción. TMX-U disparó sus últimos tiros el mismo mes. Dean comentaría más tarde que en su esfuerzo por alcanzar a los tokamaks, el programa espejo fue presionado demasiado. [13]
LLNL, que había recibido 720 millones de dólares desde 1974 por su programa espejo, cerró su programa espejo y centró su atención en el enfoque de fusión por confinamiento inercial . Los programas espejo del MIT (Tara) y de la Universidad de Wisconsin (Phaedrus) fueron retirados de sus fondos al año siguiente. [13]
El TMX fue propuesto formalmente por Fred Coensgen y el equipo de Livermore el 12 de enero de 1977 a la Administración de Investigación y Desarrollo Energético de EE. UU . [14] Se proyectó que el proyecto costaría 11 millones de dólares. El diseño constaba de cinco anillos de corriente alrededor del plasma. Los extremos utilizan imanes con forma de "béisbol" para evitar que el plasma se escape. Este diseño produjo fuerzas magnéticas que aumentan en todas direcciones lejos del centro de la región del espejo. Un plasma de fusión con forma de pajarita retorcida está confinado dentro de un espejo magnético. [15] Diseñar enchufes adecuados fue un desafío para todas las máquinas de espejos magnéticos. El diseño del béisbol fue posteriormente reemplazado por los exóticos imanes yin-yang del MFTF . [16] Los problemas con el escape del plasma llevaron a los investigadores hacia el Tokamak , donde se eliminaron los tapones al unir el campo.
En febrero de 1981 se publicó un resumen de los resultados de las pruebas originales con TMX. [17] En ese momento, la instalación se sometió a una importante revisión. Se añadió una barrera térmica para contener mejor el plasma, se aumentó el número de anillos a más de diez [18], se revisó el sistema de diagnóstico y vacío y se agregaron imanes adicionales para tapar las pérdidas. [19] La nueva máquina se denominó "TMX-U" [20] y funcionó hasta finales de los años ochenta.
Lawrence Lidsky criticó las máquinas de espejos magnéticos diciendo: "Siguieron añadiendo un juego de imanes al año hasta que colapsó por su propio peso" [1] y en su artículo " El problema con la fusión ".