El toro simétrico de Madison ( MST ) es un experimento de física de pinzamiento de campo inverso (RFP) con aplicaciones tanto en la investigación de energía de fusión como en los plasmas astrofísicos .
MST está ubicado en el Centro de Autoorganización Magnética (CMSO) de la Universidad de Wisconsin-Madison .
Los RFP son significativamente diferentes de los tokamaks (el esquema de confinamiento magnético más popular ) en el sentido de que tienden a tener una mayor densidad de potencia y mejores características de confinamiento para un campo magnético promedio determinado . Los RFP también tienden a estar dominados por fenómenos no ideales y efectos turbulentos.
Como en la mayoría de estos experimentos, el plasma MST es un pinch toroidal , lo que significa que el plasma tiene forma de rosquilla y está confinado por un campo magnético generado por una gran corriente que fluye a través de él. MST pertenece a una clase no convencional de máquina llamada pinch de campo invertido (RFP). El RFP se llama así porque el campo magnético toroidal que permea el plasma invierte espontáneamente su dirección cerca del borde.
Un pinchazo de campo invertido se forma de manera similar a otros dispositivos de pinchazo toroidal, al conducir corriente a través del plasma desde un banco de capacitores asociado u otras fuentes de energía de alta corriente. En un tokamak, el campo toroidal es mucho más fuerte que el campo poloidal, pero en un RFP es exactamente lo opuesto. De hecho, en un RFP, el campo toroidal aplicado externamente se apaga poco después del arranque.
El plasma en un RFP también está mucho más cerca de la pared que en un tokamak. Esto permite una disposición peculiar de las líneas de campo magnético, que se "relajarán" a un nuevo estado de modo que la energía magnética total en el plasma se minimice y la helicidad magnética total se conserve. El estado relajado, llamado estado de Taylor, se caracteriza por una disposición peculiar de las líneas de campo magnético donde el campo magnético toroidal en el borde invierte espontáneamente su dirección.
Como la mayoría de los esquemas de confinamiento toroidal, el RFP se basa en una ráfaga transitoria de corriente para crear el plasma y los campos magnéticos que lo confinan. Pero para que el RFP sea un candidato viable para la energía de fusión, el plasma debe ser sostenido por una fuente de corriente de estado estable. OFCD es un esquema para generar una corriente constante en un plasma relajado mediante la adición de perturbaciones oscilantes considerables a los campos toroidales y polóides, inyectando tanto potencia como helicidad en el plasma. Un enfoque similar fue patentado y sugerido para el reactor de fusión compacto de Lockheed-Martin . [2]
Una reacción no lineal en el plasma combina las dos oscilaciones de tal manera que, en promedio, se mantiene una corriente constante.
Uno de los desafíos que enfrenta el RFP es alimentar directamente el núcleo caliente del plasma, en lugar de depender del gas de deuterio que se filtra lentamente desde el borde. El inyector de pellets dispara un pellet congelado de deuterio al plasma utilizando una ráfaga de gas o un punzón mecánico. El pellet se vaporiza e ioniza a medida que viaja hacia el núcleo del plasma.
Cada gradiente es una fuente de energía libre, especialmente si se produce a través de un campo magnético. En la MST, la corriente es más fuerte en el núcleo que en el borde. Este perfil de corriente en pico sirve como fuente de energía libre para las fluctuaciones magnéticas que culminan en eventos violentos en el plasma llamados " dientes de sierra" .
La PPCD alivia este efecto al impulsar una corriente en el borde del plasma, aplanando el perfil de corriente. Se agregan pequeños pulsos a las corrientes de la fuente de alimentación que impulsan el campo toroidal. El campo magnético toroidal pulsado resultante, con la ayuda de la ley de Faraday , crea un campo eléctrico poloidal y, por lo tanto, una corriente poloidal. Una gran parte de la investigación sobre MST se dedica al estudio de este efecto y su aplicación para un confinamiento mejorado.
Para iniciar una reacción de fusión sostenida , normalmente es necesario utilizar muchos métodos para calentar el plasma. La inyección de haz neutro (NBI) implica inyectar un haz de alta energía de átomos neutros , normalmente hidrógeno o deuterio, en el núcleo del plasma. Estos átomos energéticos transfieren su energía al plasma, lo que aumenta la temperatura general. Los átomos neutros inyectados no permanecen neutros.
A medida que el haz pasa a través del plasma, los átomos se ionizan al rebotar en los iones del plasma. Debido a que el campo magnético dentro del toro está curvado en un círculo, se espera que los iones rápidos queden confinados en el plasma de fondo. Los iones rápidos confinados son ralentizados por el plasma de fondo, de la misma manera que la resistencia del aire ralentiza una pelota de béisbol. La transferencia de energía de los iones rápidos al plasma aumenta la temperatura del plasma. El inyector real se puede ver desde la ventana de observación. Parece un cilindro plateado largo tendido de lado pero inclinado ligeramente hacia abajo contra el toro cerca de la parte posterior de la máquina. Cuando se pulsa el inyector, 20.000 voltios aceleran el haz a unos 30 amperios de corriente durante unos 1,5 milisegundos.
Se producirían problemas si los iones rápidos no se confinaran en el plasma el tiempo suficiente para que depositaran su energía. Las fluctuaciones magnéticas dificultan el confinamiento del plasma en este tipo de dispositivos, alterando lo que esperábamos que fueran campos magnéticos bien comportados. Si los iones rápidos son susceptibles a este tipo de comportamiento, pueden escapar muy rápidamente. Sin embargo, hay pruebas que sugieren que no es así.
EBW es un acrónimo de Electron Bernstein Wave y debe su nombre al físico de plasma, Ira Bernstein .
El modo de onda de Bernstein se refiere a un método de inyección de energía iónica o electrónica (IBW o EBW) en un plasma para aumentar su temperatura en un intento de alcanzar las condiciones de fusión. Un plasma es una fase de la materia que se produce de forma natural durante los rayos y las descargas eléctricas y que se crea artificialmente en los reactores de fusión para producir temperaturas extremadamente altas. [3]
Este es un experimento en el MST para calentar el plasma y generar corriente eléctrica dentro del plasma.
En el plasma que hay dentro de esta máquina hay una gran corriente eléctrica, que es la responsable de crear los campos magnéticos necesarios para crear la configuración de pinza de campo invertido. También calienta el plasma muy rápidamente, de la misma forma que se calientan los cables dentro de una tostadora. La tostadora probablemente utilice unos 10 amperios de corriente, mientras que el plasma en MST se calienta hasta 600.000 amperios. Pero aunque el plasma alcanza más de 10.000.000 de grados Fahrenheit, no es lo suficientemente caliente como para generar energía de fusión práctica y necesitamos encontrar otras formas de depositar energía en el plasma. El EBW es una forma de inyectar energía de microondas para calentar aún más el plasma. El horno microondas estándar produce alrededor de 1 kW de potencia a una frecuencia de 2,45 GHz; el experimento EBW está produciendo actualmente 150 kW a 3,6 GHz, y el objetivo del equipo es aumentarlo a más de 2 MW. Para generar este tipo de energía (con un bajo presupuesto) se utilizan equipos de radar militares fuera de servicio y fuentes de alimentación de voltaje de fabricación casera.
El segundo objetivo (y quizás el más importante desde el punto de vista científico) del experimento EBW es impulsar una corriente eléctrica en un lugar prescrito dentro del plasma. La corriente principal del plasma se distribuye de forma natural y el plasma tiende a concentrar la corriente en el centro, dejando menos corriente cerca del borde. Esto puede provocar inestabilidad en el plasma. Se ha demostrado (tanto teóricamente como mediante experimentos en el toro simétrico de Madison) que impulsar una corriente en el borde hace que el plasma sea más estable a las fluctuaciones del campo magnético, lo que da como resultado un mejor confinamiento del plasma caliente y conduce a una temperatura mucho más alta. El uso del EBW para impulsar esta corriente estabilizadora sería un resultado científico muy importante. La capacidad de depositar de forma muy específica la corriente auxiliar nos da la oportunidad de optimizar nuestros esquemas de impulso de corriente. El calentamiento también es muy localizado, lo que nos permite estudiar qué tan caliente (al menos localmente) puede llegar a estar el plasma dentro de este esquema de confinamiento magnético; en términos de física del plasma, esto se llama encontrar el límite beta. Esta es una pregunta sin respuesta para la RFP y dará una idea de si este tipo de máquina podría ampliarse hasta convertirse en un reactor de fusión rentable y eficiente.
La sonda de haz de iones pesados (HIBP) dispara iones de potasio al plasma. Al medir su trayectoria, obtenemos un perfil de varias propiedades clave dentro del plasma.
Esta versátil herramienta de diagnóstico se ha utilizado en experimentos de fusión por confinamiento magnético para determinar el potencial eléctrico , la densidad electrónica, la temperatura electrónica y el potencial vectorial magnético del plasma.
Se inyecta una corriente de iones de sodio (el haz primario) desde el cañón de iones a través del campo magnético hacia el plasma. A medida que las partículas con carga simple pasan a través del plasma, se ionizan aún más, creando el haz secundario con doble carga.
Los iones secundarios se detectan y analizan fuera del plasma. Al curvar las trayectorias, el campo magnético separa los iones secundarios de los iones primarios. Debido a esto, solo los iones secundarios ionizados en una posición determinada del plasma llegan a una ubicación determinada del detector. Esto permite que el HIBP realice mediciones localizadas en la posición de ionización. La corriente secundaria está relacionada con la densidad electrónica local y la sección transversal de ionización de los iones primarios, que a su vez es una función de la temperatura de los electrones. El potencial eléctrico se puede obtener a partir de la diferencia de energía entre los haces de iones primarios y secundarios. La energía del haz secundario se puede determinar a partir del ángulo en el que ingresa al analizador de energía.
El sistema MST-HIBP consta de:
El término FIR, o infrarrojo lejano , se refiere a la luz con longitudes de onda entre 1 y 10 mm. El sistema FIR de MST se basa en los láseres FIR que se encuentran en la sala de seguridad láser de color beige que se encuentra a la derecha de la imagen que se muestra, en el pasillo del segundo piso.
El sistema consta de cuatro láseres FIR. Uno de ellos es un láser de CO2 que produce una potencia continua de unos 120 W. Este haz se divide en tres. Cada haz bombea ópticamente un láser de vapor de ácido fórmico que funciona a una longitud de onda de 432,6 mm y una potencia de unos 20 mW. El sistema FIR tiene dos modos de funcionamiento: interferometría y polarimetría.
¿Qué mide el sistema de diagnóstico FIR?
La densidad electrónica, la densidad de corriente del plasma y el campo magnético son tres parámetros importantes del plasma de la MST. El sistema FIR se utiliza para medir sus distribuciones espaciales y temporales.
¿Cómo funciona la interferometría FIR?
Al igual que el vidrio, el plasma tiene un índice de refracción diferente al del vacío (o del aire) que depende de la densidad electrónica del plasma.
Enviamos un haz láser a través del plasma (el haz de prueba), otro a través del aire (el haz de referencia) y medimos la diferencia de fase entre ellos. Esta configuración experimental se denomina interferómetro de Mach-Zehnder. La fase medida es proporcional a la densidad electrónica promedio del plasma a lo largo de la trayectoria del haz.
En MST, enviamos múltiples haces de prueba (líneas azules en la figura) a través del plasma en diferentes radios. Luego aplicamos la técnica de inversión de Abel para obtener un perfil de la densidad electrónica del plasma.
¿Cómo funciona la polarimetría FIR?
Un plasma también es un medio ópticamente activo, lo que significa que cuando una onda electromagnética polarizada linealmente se propaga paralela (o antiparalela) al campo magnético, la polarización de la onda que sale del plasma rotará un ángulo pequeño.
Esto se denomina rotación de Faraday y el ángulo se denomina ángulo de rotación de Faraday. El sistema FIR mide la rotación de Faraday, que es proporcional al promedio lineal de la densidad electrónica multiplicada por el componente del campo magnético paralelo a la trayectoria del haz.
La razón de la rotación de Faraday es la siguiente: cuando una onda polarizada linealmente se propaga a lo largo de una línea de campo magnético , se descompone en componentes polarizados circularmente de mano izquierda y mano derecha. La diferencia de fase entre ellos cuando salen del plasma hace que la onda polarizada linealmente recombinada rote su dirección de polarización. En MST, lanzamos dos ondas que se propagan juntas y giran en sentido contrario para sondear el plasma. Luego medimos la diferencia de fase entre estos dos haces, que será el doble del ángulo de rotación de Faraday.
En la figura, cada uno de los 11 haces de sonda azules es una combinación de dos haces contrarrotatorios, polarizados circularmente, que miden los ángulos de rotación de Faraday a lo largo de las mismas cuerdas que el interferómetro . Las fases combinadas del interferómetro y los ángulos de rotación de Faraday se pueden combinar para determinar la distribución del campo magnético poloidal. Utilizando la ley de Ampere , también se puede determinar la corriente de plasma toroidal.
¿Qué tan bien funciona el sistema de diagnóstico FIR?
El sistema FIR para MST es muy preciso. El ángulo de rotación de Faraday para plasmas MST suele ser de 5 grados. Para medir una señal tan pequeña, hemos logrado una precisión de 0,06 grados. La resolución temporal es inferior a 1 microsegundo.
¿Cuáles son algunos de los temas de investigación relacionados con FIR?
El FIR es una herramienta esencial para la mayoría de los temas de investigación en MST, ya que proporciona información sobre los parámetros básicos del plasma. El sistema mide la densidad electrónica, la corriente toroidal, el campo magnético poloidal y los perfiles espaciales de cada uno de ellos.
Actualmente, estamos explorando la posibilidad de medir el campo magnético toroidal y la corriente de plasma poloidal utilizando el efecto de birrefringencia del plasma, o el efecto Cotton-Mouton. Cuando una onda electromagnética polarizada linealmente se propaga perpendicularmente al campo magnético, el índice de refracción depende de si la polarización de la onda es paralela o perpendicular a la dirección del campo magnético.
¿Por qué elegir láseres FIR?
Para la interferometría y polarimetría de plasma , la longitud de onda que elegimos es lo suficientemente larga como para proporcionar cambios de fase inducidos por el plasma mensurables, pero lo suficientemente corta como para evitar interacciones complicadas entre el plasma y la onda , incluida la curvatura del haz. Hay muchas líneas de láser molecular de alta potencia disponibles en este rango de longitudes de onda y muchos detectores disponibles comercialmente.
¿Qué es la dispersión de Thomson?
La dispersión de Thomson es el resultado de una colisión entre un fotón (una onda electromagnética) y una partícula cargada, como un electrón. Cuando un electrón y un fotón "chocan", el electrón siente una fuerza de Lorentz de los campos eléctricos y magnéticos oscilantes del fotón y se acelera. Esta aceleración hace que el electrón emita un fotón diferente en una dirección diferente. Este fotón emitido tiene una longitud de onda desplazada con respecto a la del fotón incidente en una cantidad que depende de la energía del electrón. Otra forma de ver esto es que el electrón absorbe la energía del fotón y reemite la energía en forma de una onda electromagnética diferente. Esta dispersión de un fotón por un electrón se llama dispersión de Thomson.
¿Cómo es útil la dispersión de Thomson para los físicos del plasma?
Dado que la longitud de onda del fotón dispersado depende de la energía del electrón que se dispersa, la dispersión de Thomson es una buena forma de medir la energía de un electrón. Esto se hace creando un fotón de longitud de onda conocida y midiendo la longitud de onda del fotón dispersado. La configuración de dispersión de Thomson en el MST utiliza un sistema láser Nd:YAG de 1064 nm , que produce las mejores lecturas de temperatura de electrones con resolución temporal del mundo. [4] Creamos nuestros fotones con láseres de alta potencia que iluminamos en una ventana en la parte superior del MST y recolectamos fotones dispersos con una gran lente de recolección en el costado del MST.
La distribución de longitudes de onda de los fotones dispersos nos indica la distribución de energía de los electrones en el plasma, lo que nos proporciona una forma directa y discreta de obtener la temperatura de los electrones. La cantidad de fotones que realmente recogemos también puede indicarnos algo sobre la densidad de los electrones en el plasma.
Los plasmas de fusión se generan típicamente a partir de la ionización de un gas neutro. En la mayoría de los casos, se utiliza deuterio como combustible de plasma. Por lo tanto, estos plasmas están compuestos principalmente de iones deuterio (más electrones), y es necesario diagnosticar el comportamiento de estos iones si se quiere entender la física del plasma relevante. Sin embargo, en cualquier dispositivo de fusión, también están presentes otros tipos de iones ("impurezas"). Estos existen de forma natural debido a la incapacidad de lograr un vacío perfecto en un reactor de fusión antes de cargar combustible. Por lo tanto, materiales como vapor de agua , nitrógeno y carbono se encontrarán en pequeñas cantidades en las descargas de plasma típicas. También se pueden generar impurezas durante las descargas de plasma debido a las interacciones entre el plasma y la pared.
Estas interacciones hacen que principalmente el material de la pared sea expulsado al plasma a través de la pulverización catódica. En el toro simétrico de Madison (MST), las propiedades de los iones de impureza (por ejemplo, carbono, oxígeno , etc.) están estrechamente vinculadas a las propiedades de los iones de deuterio como resultado de la fuerte interacción entre las especies iónicas. Por lo tanto, las mediciones de iones de impureza pueden, en principio, proporcionar información directa sobre los iones de deuterio. Las mediciones de la temperatura de los iones de impureza ( T i ) y la velocidad de flujo ( v i ) se obtienen en MST utilizando la espectroscopia de recombinación de intercambio de carga o CHERS.
El proceso CHERS se puede dividir en dos pasos separados: intercambio de carga y desintegración radiactiva. En la primera etapa, un electrón se transfiere desde un átomo neutro (por ejemplo, deuterio) a un ion de impureza que no tiene electrones (por ejemplo, C +6 ). Durante esta transferencia, el electrón normalmente termina en un estado excitado (nivel de energía alto) del ion de impureza. A medida que el electrón se desintegra hasta el estado fundamental (nivel de energía mínimo), la conservación de la energía requiere que el ion de impureza emita radiación. Esta emisión tiene valores discretos de energía, o longitud de onda, que corresponden a las diferencias de energía entre los niveles atómicos inicial y final de una transición electrónica particular. Por ejemplo, considere el intercambio de carga entre un átomo de deuterio y un ion C +6 : si el electrón se transfiere al nivel de energía n = 7 del ion de carbono, entonces el ion emitirá radiación a energías discretas dadas por la diferencia de energía entre los niveles n = 7 y n = 6, los niveles n = 6 y n = 5, los niveles n = 5 y n = 4, y así sucesivamente (hasta n = 1 ). Esta emisión de línea se ensancha por efecto Doppler como resultado del movimiento térmico de los iones, y se desplaza por efecto Doppler como resultado del flujo de iones. El desplazamiento Doppler hace que la emisión se desplace hacia el azul (hacia una longitud de onda más corta/una frecuencia más alta) si los iones se mueven hacia el punto de observación, o hacia el rojo (hacia una longitud de onda más larga/una frecuencia más baja) si el flujo se aleja del punto de observación. Por lo tanto, las mediciones de la forma de la línea de emisión del carbono se utilizan para extraer valores de la temperatura y la velocidad de los iones de impureza.
Intercambio de carga : H + C +6 →
H +1 +C +5 ( n=7 , l=6 )
Desintegración radiativa : C +5 ( n=7 , l=6 ) →
C +5 ( n=6 , l=5 ) + h (fotón)
En un dispositivo de fusión típico, la densidad de átomos neutros es pequeña. Por lo tanto, la cantidad de emisión radiada que resulta del intercambio de carga entre iones de impurezas y neutros también es pequeña. En MST, la densidad neutra se mejora mediante la inyección de átomos de hidrógeno rápidos a través de un haz neutro de diagnóstico (DNB). Como resultado, la emisión radiada aumenta considerablemente, aunque principalmente a lo largo de la trayectoria de inyección del haz (el DNB está ubicado debajo de la plataforma y no se puede ver desde aquí; la trayectoria de inyección es de derecha a izquierda a través del plasma). Perpendicularmente a la trayectoria del haz, existen varios puertos ópticos para ver el plasma en diferentes posiciones radiales. Para una descarga de plasma dada, se coloca un sistema de haz de fibras en uno de estos puertos y se utiliza para recolectar la emisión a lo largo de su línea de visión (los tubos negros en la parte superior de la máquina contienen ópticas de recolección de luz; las fibras se colocan en el tubo blanco largo y curvo cuando no se utilizan). Esta emisión se envía a un espectrómetro donde se dispersa en un rango de longitud de onda finito, que está centrado en la línea de emisión de interés, mediante un par de rejillas ópticas. Sin embargo, debido a que la emisión recolectada está dominada por la radiación proveniente de la trayectoria del haz, las mediciones se localizan efectivamente en el volumen de intersección entre la vista de la fibra y el haz. En MST, este volumen de intersección es pequeño (~ 2 cm 3 ) en comparación con el volumen del plasma, lo que permite obtener mediciones resueltas espacialmente de Ti y vi . Los datos recolectados de una serie de descargas de plasma, para las cuales varía la ubicación del sistema de haces de fibras, se utilizan para construir perfiles radiales de la temperatura y velocidad de los iones de impureza, lo que proporciona información importante para comprender la física de los plasmas en MST. Las temperaturas iónicas típicas medidas por CHERS en MST están en el rango de 100 a 800 eV (2 millones a 17 millones de grados Fahrenheit), dependiendo de la posición en el plasma y el tipo de descarga. Asimismo, las velocidades iónicas de equilibrio medidas están en el orden de 1000 a 10 000 metros por segundo.