El Tokamak de Fontenay-aux-Roses ( TFR ) fue el primer tokamak francés , construido en un centro de investigación de la Comisión de Energía Atómica de Francia (CEA) en Fontenay-aux-Roses , una comuna en los suburbios del suroeste de París. El proyecto fue encabezado por Paul-Henri Rebut , y a veces se lo conoce en broma como el "Tokamak façon Rebut", un juego de palabras entre el nombre Rebut y la palabra francesa "rebut", que significa "basura".
El TFR tenía aproximadamente el mismo tamaño que el T-3 soviético y el Tokamak simétrico estadounidense, pero tenía un mayor volumen de plasma interno y una fuente de alimentación mucho más potente que impulsaba corrientes de plasma de hasta 400.000 amperios y una duración de hasta medio segundo. Terminado en 1973, siguió siendo el tokamak más potente del mundo hasta 1976, cuando fue superado por el Princeton Large Torus . Se sometió a varias mejoras importantes durante su vida útil, que mejoraron continuamente su rendimiento.
Entre los principales descubrimientos realizados en el TFR se encuentra el problema de los electrones fuera de control . En 1973, sólo unos meses después de iniciar las operaciones, un evento de este tipo provocó agujeros en el recipiente de vacío, lo que requirió extensas reparaciones. La investigación posterior identificó un nuevo tipo de inestabilidad del plasma que no se había detectado anteriormente, hoy conocido como transporte neoclásico . Desde entonces se han encontrado varios problemas similares y ahora todos se clasifican como "disrupciones".
Se suministró rápidamente un recipiente de vacío de repuesto y el dispositivo pronto alcanzó sus objetivos de diseño. Posteriormente se amplió varias veces con fuentes de alimentación más potentes y más sistemas de calefacción. El TFR se desmanteló en 1986, momento en el que era el tokamak en funcionamiento más antiguo. Fue reemplazado por el Tore Supra en el principal centro de investigación atómica de Francia, Cadarache .
Cuando los investigadores soviéticos revelaron por primera vez el concepto del tokamak en 1965, los resultados fueron tan buenos que los observadores internacionales los descartaron de plano. Un estudio posterior en 1968 mostró resultados aún mejores, entre 10 y 100 veces superiores a los obtenidos en otros laboratorios. [1] [2] Una vez más, los otros laboratorios descartaron los resultados soviéticos. Esta vez, sin embargo, Lev Artsimovich estaba preparado. Invitó a un equipo de investigadores del Reino Unido, apodado "los cinco de Culham", a medir la temperatura de los electrones en el dispositivo T-3, utilizando su equipo de diagnóstico de dispersión láser Thomson recientemente desarrollado , para ver si las temperaturas que estaban midiendo eran precisas. [3] Después de meses de configuración y calibración, en el verano de 1969 las mediciones realizadas bajo la supervisión de Derek Robinson mostraron que los resultados eran incluso mejores que los que los soviéticos habían informado el año anterior. [4] [5]
El resultado es lo que hoy se conoce como la "fiebre del tokamak". Estos resultados sugirieron que el tokamak fue el primer dispositivo a gran escala que claramente superó una barrera significativa para el progreso hasta esa fecha, la difusión de Bohm . Si bien algunos experimentos en el Reino Unido y los EE. UU. también mostraron signos de superar este límite, lo hicieron a temperaturas más bajas que no eran útiles para un dispositivo de fusión. El plasma del tokamak se mantuvo estable incluso a las temperaturas más altas que el dispositivo era capaz de alcanzar. El interés en casi todos los demás enfoques disminuyó y en 1970 había docenas de esfuerzos en todo el mundo para superar los resultados soviéticos. [6]
En 1970, se tomó la decisión de concentrar toda la investigación de fusión en Francia en Fontenay-aux-Roses , reflejando la decisión similar del Reino Unido que resultó en UKAEA Culham en 1965. La planificación para el TFR comenzó inmediatamente bajo la dirección de Paul-Henri Rebut , y el diseño a veces se conoce en broma como el "Tokamak façon Rebut". [7] Basado en gran medida en el diseño soviético T-3, el TFR era similar en dimensiones y construcción, pero tenía fuentes de alimentación mucho más grandes que les permitirían producir densidades de plasma más altas y durante más tiempo, [8] y un volumen de plasma interno más grande de 1 metro cúbico. A modo de comparación, el tokamak moderno del ITER tiene 840 metros cúbicos. [7]
El TFR produjo su primer plasma el 22 de marzo de 1973. El sistema aumentó rápidamente su potencia hasta que tres meses después se produjo un agujero en la pared interior de la cámara de vacío. Se determinó rápidamente que la causa de esto se debía a un haz de electrones rápidos , de aproximadamente 50 keV. El haz se formaba atrapando electrones en un espejo magnético formado dentro del toro, que se acumulaba hasta un umbral crítico. [9] En este punto, la interacción entre los electrones y el plasma circundante provoca un efecto que se había propuesto por primera vez como un mecanismo para la propagación de rayos . [10]
Este efecto de espejo nunca visto hasta ahora se conoce hoy como transporte neoclásico , que se forma cuando el campo magnético es más fuerte en el radio interior del toroide que en el exterior, lo que hace que las partículas de baja energía se reflejen a medida que viajan por caminos que las acercan al borde interior. A medida que más de estas partículas se acumulan en estas "órbitas de plátano", llamadas así por su forma curva, pueden alcanzar un punto en el que tienen suficiente densidad para crear un canal de carga que las acelera en el plasma circundante y las explosiones de electrones resultantes se conocen como electrones fugitivos . [9] Hoy en día, estos eventos son parte de un grupo más grande de problemas similares conocidos genéricamente como "disrupciones". [11]
La cámara de vacío fue reemplazada y los experimentos comenzaron para aumentar el rendimiento una vez más, alcanzando los objetivos de rendimiento originales en octubre de 1974. En ese momento, el TFR era el tokamak más poderoso del mundo, alcanzando temperaturas de iones de 1 keV y una cifra de criterio de Lawson de 2,5 ⨉ 10 12 /cm³s. [8]
Incluso con las fuentes de alimentación más grandes, el sistema no era capaz de calentar el plasma a temperaturas de fusión. Este era uno de los principales problemas con el diseño básico del tokamak en comparación con sistemas anteriores como el Z-pinch que también calentaban fuertemente sus plasmas. Para abordar esto, TFR había planeado casi desde el principio [12] incorporar la inyección de haz neutro , o NBI, que utiliza un pequeño acelerador de partículas para disparar átomos individuales de combustible en la cámara de reacción. La NBI suministra combustible fresco y energía que calienta el plasma. A fines de 1975, los inyectores de 500 kW habían elevado las temperaturas de operación a 2 keV, aunque a una densidad electrónica relativamente baja de 4,4 ⨉ 10 13 /cm³. [8]
En 1977, la cámara de vacío fue reemplazada por un nuevo diseño que eliminó la cubierta interna de cobre que se había incluido para estabilizar el plasma. Los investigadores soviéticos habían desarrollado un nuevo sistema que utilizaba imanes adicionales y un control de retroalimentación que impedía el movimiento vertical del plasma, que anteriormente realizaba la cubierta. [13] Además de simplificar el diseño, la nueva disposición permitió que la cámara tuviera más puntos de acceso. [8]
El limitador se cambió por uno de Inconel . El sistema inicialmente utilizaba un limitador de molibdeno , cuyo alto punto de fusión le permitía absorber mejor la carga térmica de los iones que lo golpeaban. Esto también provocó que el molibdeno se desprendiera en el plasma, lo que provocó que la masa atómica promedio , o Z, del plasma fuera superior a 3. La energía se pierde de un plasma estable principalmente a través de la producción de luz (en este contexto conocida como radiación), que es un producto de la temperatura y la masa atómica. Debido a que Z>3, la densidad de electrones no podía aumentarse más allá de 6 ⨉ 10 13 /cm³. El nuevo revestimiento, junto con un nuevo régimen de limpieza sistemática, redujo Z de nuevo hacia 1 y permitió que las densidades aumentaran a 1,2 ⨉ 10 14 /cm³. [8]
Después de 1978, la atención se centró en generar más calor mediante el uso de calentamiento por resonancia de frecuencia de ciclotrón iónico (ICRF, por sus siglas en inglés). El ICRF utiliza energía de radiofrecuencia sintonizada con la frecuencia de ciclotrón de los iones para agregarles energía, de manera similar a la forma en que un horno microondas calienta el agua.
Entre agosto de 1976 y septiembre de 1977, el TFR fue desmantelado y reemplazado por un nuevo diseño a veces conocido como TFR-600 . [14] La principal diferencia con la versión anterior era un radio de plasma máximo de 24 centímetros (9,4 pulgadas), en combinación con una fuente de alimentación mejorada capaz de generar una corriente de plasma de 600 kA. [13] Para agosto de 1981, la adición de cinco líneas NBI más aumentó la potencia de calentamiento del ICRF a 2,2 MW y produjo plasmas a 2 keV a una alta densidad electrónica central de 2 ⨉ 10 14 /cm³. [12]
El limitador de Inconel mejoró el Z medio, pero aún así produjo iones de níquel en el plasma. En 1982 fue reemplazado por uno hecho de carbono que redujo en gran medida la masa atómica y, a partir de este punto, las pérdidas primarias no se debieron a la radiación sino a pérdidas de electrones. Alrededor de 1985, se instaló un nuevo sistema de calentamiento, la frecuencia de resonancia de ciclotrón electrónico , en cooperación con el Instituto de Física del Plasma de Rijnhuizen (FOM). Con el final de estos experimentos, TRF cerró después de doce años de operación, momento en el que era el tokamak más antiguo en funcionamiento. [15]
El TFR era un diseño típico de los primeros tokamak, con una sección transversal cilíndrica para su plasma. La cámara de vacío de la primera versión (TFR 400), en uso desde abril de 1973 hasta agosto de 1976, tenía un tamaño moderado para confinar el plasma dentro de un radio de 20 cm (7,9 pulgadas) en un tubo doblado en un anillo de 98 centímetros (39 pulgadas) de radio. [16] El TFR 600 era similar al TFR 400, excepto que se había eliminado la gruesa cubierta de cobre, lo que permitía un radio de plasma de 24 cm (9,4 pulgadas) y una corriente de plasma de 600 kA. [14]
Sin embargo, debido a su disposición interna, el TFR-600 tenía un volumen de plasma útil de 1 metro cúbico mayor que otros tokamaks tempranos como el T-3 soviético. La otra diferencia importante era la fuente de alimentación mucho más grande, que podía proporcionar hasta 400.000 amperios durante un cuarto de segundo, o un amperaje menor durante medio segundo. [7]
El soporte principal del plasma era una serie de ocho grandes imanes toroidales distribuidos uniformemente alrededor del toro, capaces de generar un campo magnético toroidal de hasta 6 teslas . [16] Dentro de ellos había dos imanes poloidales más pequeños, encima y debajo de la cámara de plasma. La corriente se inducía en el plasma utilizando un núcleo de transformador colocado entre dos de los imanes toroidales; su ubicación se puede ver por los grandes cables de alimentación que corren hacia él en la parte superior del conjunto. [7] Hay un espacio abierto significativo entre los imanes toroidales donde se puede acceder a la cámara de plasma. Estas partes tienen una serie de puertos para inyección de combustible, sistemas de calefacción y varios sistemas de diagnóstico. [7]
La versión original costó un total de 15 millones de francos, casi la mitad de los cuales fueron financiados por el programa europeo de investigación y formación nuclear de Euratom . [7] [17] [18]