El reactor de prueba de fusión Tokamak ( TFTR ) fue un tokamak experimental construido en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) alrededor de 1980 y que entró en servicio en 1982. El TFTR fue diseñado con el objetivo explícito de alcanzar el punto de equilibrio científico , el punto en el que el calor que se libera de las reacciones de fusión en el plasma es igual o mayor que el calentamiento que se suministra al plasma mediante dispositivos externos para calentarlo. [1] [2]
El TFTR nunca logró este objetivo, pero sí produjo importantes avances en el tiempo de confinamiento y la densidad de energía. Fue el primer dispositivo de fusión magnética del mundo en realizar experimentos científicos exhaustivos con plasmas compuestos por 50/50 deuterio/tritio (DT), la mezcla de combustible necesaria para la producción práctica de energía de fusión, y también el primero en producir más de 10 MW de energía de fusión. Estableció varios récords de potencia de salida, temperatura máxima y producto triple de fusión .
El TFTR cerró en 1997 después de quince años de funcionamiento. PPPL utilizó el conocimiento del TFTR para comenzar a estudiar otro enfoque, el tokamak esférico , en su Experimento Nacional de Toro Esférico . El JT-60 japonés es muy similar al TFTR, y ambos remontan su diseño a innovaciones clave introducidas por Shoichi Yoshikawa (1934-2010) [3] durante su tiempo en PPPL en la década de 1970.
En la fusión nuclear, existen dos tipos de reactores lo suficientemente estables para llevar a cabo la fusión: los reactores de confinamiento magnético y los reactores de confinamiento inercial. El primer método de fusión busca alargar el tiempo que los iones pasan juntos para fusionarlos, mientras que el segundo tiene como objetivo fusionar los iones tan rápido que no tengan tiempo de separarse. Los reactores de confinamiento inercial, a diferencia de los reactores de confinamiento magnético, utilizan la fusión láser y la fusión por haz de iones para llevar a cabo la fusión. Sin embargo, con los reactores de confinamiento magnético se evita el problema de tener que encontrar un material que pueda soportar las altas temperaturas de las reacciones de fusión nuclear. La corriente de calentamiento es inducida por los campos magnéticos cambiantes en las bobinas de inducción centrales y supera el millón de amperios. Los dispositivos de fusión magnética mantienen el plasma caliente fuera de contacto con las paredes de su contenedor manteniéndolo en movimiento en trayectorias circulares o helicoidales mediante la fuerza magnética sobre las partículas cargadas y por una fuerza centrípeta que actúa sobre las partículas en movimiento. [4]
A principios de los años 60, el campo de la energía de fusión había crecido lo suficiente como para que los investigadores comenzaran a organizar reuniones semestrales que rotaban en torno a los diversos centros de investigación. En 1968, la reunión, que ahora es anual, se celebró en Novosibirsk , donde la delegación soviética sorprendió a todos al afirmar que sus diseños de tokamak habían alcanzado niveles de rendimiento al menos un orden de magnitud mejor que cualquier otro dispositivo. Las afirmaciones fueron recibidas inicialmente con escepticismo, pero cuando los resultados fueron confirmados por un equipo del Reino Unido al año siguiente, este enorme avance provocó una "estampida virtual" de construcción de tokamak. [5]
En Estados Unidos, uno de los principales enfoques estudiados hasta ese momento era el stellarator , cuyo desarrollo se limitó casi por completo al PPPL. Su último diseño, el Modelo C, había entrado recientemente en funcionamiento y había demostrado un rendimiento muy por debajo de los cálculos teóricos, lejos de las cifras útiles. Con la confirmación de los resultados de Novosibirsk, comenzaron de inmediato a convertir el Modelo C a un diseño tokamak, conocido como Tokamak Simétrico (ST). Esto se completó en el breve tiempo de solo ocho meses, entrando en servicio en mayo de 1970. Los diagnósticos computarizados del ST le permitieron igualar rápidamente los resultados soviéticos y, a partir de ese momento, todo el mundo de la fusión se centró cada vez más en este diseño por encima de cualquier otro. [6]
A principios de los años 70, Shoichi Yoshikawa estaba estudiando el concepto del tokamak. Observó que, a medida que aumentaba el tamaño del eje menor del reactor (el diámetro del tubo) en comparación con su eje mayor (el diámetro de todo el sistema), el sistema se volvía más eficiente. Un beneficio adicional era que, a medida que aumentaba el tamaño del eje menor, mejoraba el tiempo de confinamiento por la sencilla razón de que los iones de combustible tardaban más en llegar al exterior del reactor. Esto llevó a una aceptación generalizada de que los diseños con relaciones de aspecto más bajas eran un avance clave con respecto a los modelos anteriores. [2]
Esto condujo al Princeton Large Torus (PLT), que se completó en 1975. Este sistema tuvo éxito hasta el punto en que alcanzó rápidamente los límites de su sistema de calentamiento óhmico, el sistema que pasaba corriente a través del plasma para calentarlo. Entre las muchas ideas propuestas para un mayor calentamiento, en cooperación con Oak Ridge National Laboratory , PPPL desarrolló la idea de la inyección de haz neutro . Esto utilizó pequeños aceleradores de partículas para inyectar átomos de combustible directamente en el plasma, calentándolo y proporcionando combustible fresco. [2]
Después de una serie de modificaciones al sistema de inyección de haz, el PLT recientemente equipado comenzó a batir récords y, finalmente, realizó varias pruebas a 60 millones de K, más que suficiente para un reactor de fusión. Para alcanzar el criterio de Lawson para la ignición, todo lo que se necesitaba era una mayor densidad de plasma, y no parecía haber ninguna razón para que esto no fuera posible en una máquina más grande. Existía la creencia generalizada de que el punto de equilibrio se alcanzaría durante la década de 1970. [6] [2]
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Tras el éxito del PLT y otros diseños posteriores, se consideró que el concepto básico estaba bien comprendido. PPPL comenzó a diseñar un sucesor del PLT mucho más grande que demostraría la combustión del plasma en funcionamiento pulsado. [2]
En julio de 1974, el Departamento de Energía (DOE) celebró una gran reunión a la que asistieron todos los principales laboratorios de fusión. Entre los asistentes, se destacó Marshall Rosenbluth , un teórico que tenía la costumbre de estudiar máquinas y encontrar una variedad de nuevas inestabilidades que arruinarían el confinamiento. Para sorpresa de todos, en esta reunión no planteó ninguna preocupación nueva. Parecía que el camino hacia el punto de equilibrio estaba despejado. [7]
El último paso antes de atacar el punto de equilibrio sería construir un reactor que funcionara con una mezcla de deuterio y tritio , a diferencia de las máquinas anteriores que funcionaban solo con deuterio. Esto se debía a que el tritio era radiactivo y se absorbía fácilmente en el cuerpo, lo que presentaba problemas de seguridad que encarecían su uso. Se creía ampliamente que el rendimiento de una máquina que funcionara solo con deuterio sería básicamente idéntico a uno que funcionara con DT, pero esta suposición necesitaba ser puesta a prueba. Al examinar los diseños presentados en la reunión, el equipo del DOE eligió el diseño de Princeton. [7]
Bob Hirsch, que recientemente se hizo cargo del comité directivo del DOE, quería construir la máquina de prueba en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), pero otros miembros del departamento lo convencieron de que tendría más sentido hacerlo en el PPPL. Argumentaron que un equipo de Princeton estaría más involucrado que un equipo del ORNL que ejecutara el diseño de otra persona. Si luego se desarrollaba un prototipo de ingeniería de un sistema comercial, se podría construir en Oak Ridge. Le dieron al proyecto el nombre de TFTR y solicitaron financiación al Congreso, que se concedió en enero de 1975. El trabajo de diseño conceptual se llevó a cabo durante todo 1975, y el diseño detallado comenzó el año siguiente. [7]
El TFTR sería el tokamak más grande del mundo; a modo de comparación, el ST original tenía un diámetro de plasma de 12 pulgadas (300 mm), mientras que el diseño PLT que siguió era de 36 pulgadas (910 mm), y el TFTR fue diseñado para tener 86 pulgadas (2200 mm). [2] Esto lo hizo aproximadamente el doble del tamaño de otras máquinas a gran escala de la época; el Joint European Torus de 1978 y el JT-60 aproximadamente simultáneo tenían aproximadamente la mitad del diámetro. [8]
A medida que la PLT siguió generando mejores resultados, en 1978 y 1979 se añadió financiación adicional y se modificó el diseño para alcanzar el objetivo largamente buscado de "equilibrio científico" cuando la cantidad de energía producida por las reacciones de fusión en el plasma fuera igual a la cantidad de energía que se le suministraba para calentarlo a temperaturas de funcionamiento. También conocido como Q = 1, este es un paso importante en el camino hacia diseños útiles para producir energía. [9] Para cumplir con este requisito, el sistema de calentamiento se actualizó a 50 MW y, finalmente, a 80 MW. [10]
La construcción comenzó en 1980 y el TFTR comenzó a funcionar en 1982. Siguió un largo período de rodaje y pruebas. A mediados de los años 80, comenzaron las pruebas con deuterio para entender su rendimiento. En 1986 produjo los primeros "superdisparos" que produjeron muchos neutrones de fusión. [11] Estos demostraron que el sistema podía alcanzar los objetivos del diseño inicial de 1976; el rendimiento cuando funcionaba con deuterio era tal que si se introducía tritio se esperaba que produjera alrededor de 3,5 MW de energía de fusión. Dada la energía en los sistemas de calefacción, esto representaba un Q de aproximadamente 0,2, o aproximadamente solo el 20% del requisito para el punto de equilibrio. [9]
Sin embargo, pruebas posteriores revelaron problemas importantes. Para alcanzar el punto de equilibrio, el sistema tendría que cumplir varios objetivos al mismo tiempo, una combinación de temperatura, densidad y el tiempo durante el cual el combustible está confinado. En abril de 1986, los experimentos TFTR demostraron los dos últimos de estos requisitos cuando produjo un producto de fusión triple de 1,5 x10 14 segundos Kelvin por centímetro cúbico, lo que está cerca del objetivo para un reactor práctico y entre cinco y siete veces lo que se necesita para alcanzar el punto de equilibrio. Sin embargo, esto se produjo a una temperatura que estaba muy por debajo de la requerida. En julio de 1986, TFTR alcanzó una temperatura de plasma de 200 millones de kelvin (200 MK), en ese momento la más alta jamás alcanzada en un laboratorio. La temperatura es 10 veces mayor que la del centro del Sol, y más que suficiente para alcanzar el punto de equilibrio. Desafortunadamente, para alcanzar estas temperaturas, el producto triple se había reducido en gran medida a10 13 , dos o tres veces demasiado pequeño para el punto de equilibrio.
Se siguieron haciendo grandes esfuerzos para alcanzar simultáneamente estas condiciones. Donald Grove, director del proyecto TFTR, dijo que esperaban alcanzar ese objetivo en 1987. A esto le seguirían las pruebas DT que realmente producirían el punto de equilibrio, a partir de 1989. [12] Desafortunadamente, el sistema no pudo cumplir ninguno de estos objetivos. Las razones de estos problemas se estudiaron intensivamente durante los años siguientes, lo que llevó a una nueva comprensión de las inestabilidades de los plasmas de alto rendimiento que no se habían visto en máquinas más pequeñas. Una consecuencia importante de los problemas del TFTR fue el desarrollo de secciones transversales de plasma altamente no uniformes, en particular los plasmas en forma de D que ahora dominan el campo.
Aunque estaba claro que el TFTR no alcanzaría el punto de equilibrio, los experimentos con tritio comenzaron en serio en diciembre de 1993, siendo el primer dispositivo de este tipo que se movió principalmente hacia este combustible. En 1994 produjo un récord mundial de 10,7 megavatios de energía de fusión a partir de un plasma 50-50 DT (superado en JET en el Reino Unido, que generó 16 MW a partir de 24 MW de potencia térmica inyectada en 1997). Los dos experimentos habían enfatizado las partículas alfa producidas en las reacciones deuterio-tritio, que son importantes para el autocalentamiento del plasma y una parte importante de cualquier diseño operativo. En 1995, el TFTR alcanzó una temperatura récord mundial de 510 millones de °C, más de 25 veces la del centro del sol. Esta temperatura fue superada más tarde al año siguiente por el JT-60 Tokamak, que alcanzó una temperatura de iones de 522 millones de °C (45 keV). [13] También en 1995, los científicos del TFTR exploraron un nuevo modo fundamental de confinamiento del plasma: el cizallamiento inverso mejorado, para reducir la turbulencia del plasma. [14]
El TFTR permaneció en uso hasta 1997. Fue desmantelado en septiembre de 2002, después de 15 años de funcionamiento. [15]
Le siguió el tokamak esférico NSTX . [16]
