El reactor de cúspide bicónica , también conocido como reactor de valla de estacas , fue una de las primeras sugerencias para el confinamiento del plasma en un reactor de fusión . [1] Consiste en dos electroimanes paralelos con la corriente circulando en direcciones opuestas, creando campos magnéticos de dirección opuesta . Los dos campos interactúan para formar un "área nula" entre ellos donde el combustible de fusión puede quedar atrapado.
El concepto surgió como reacción a un problema planteado por Edward Teller en 1953. Teller señaló que cualquier diseño que tuviera el plasma dentro de campos magnéticos cóncavos sería naturalmente inestable. El concepto de cúspide tenía campos que eran convexos y el plasma se mantenía dentro de un área de poco o ningún campo en el interior del dispositivo. El concepto fue presentado de forma independiente en 1954 por Harold Grad en el Courant Institute de Nueva York y James L. Tuck en Los Álamos .
Al principio, el diseño despertó poco interés porque el problema de Teller no se había detectado en otras máquinas de fusión tempranas. A finales de los años 50, quedó claro que todas estas máquinas tenían problemas graves y que la de Teller era sólo una de muchas. Esto provocó un renovado interés en el diseño y se construyeron varias máquinas para probar el concepto a principios de los años 60. Todos estos dispositivos perdían plasma combustible a un ritmo mucho mayor que el previsto y la mayor parte del trabajo sobre el concepto finalizó a mediados de los años 60. Más tarde, Mikhail Ioffe demostró por qué surgieron estos problemas.
Un dispositivo posterior que comparte cierto diseño con la cúspide es el concepto de polywell de la década de 1990. Puede considerarse como múltiples cúspides dispuestas en tres dimensiones.
En 1953, en una reunión ahora famosa pero entonces secreta, Edward Teller planteó la cuestión teórica de la inestabilidad de la flauta . Esto sugería que cualquier máquina de fusión que confinase el plasma en el interior de un campo curvo, en lugar de en el exterior de la curvatura, sería naturalmente inestable y expulsaría rápidamente su plasma. Este tipo de "mala curvatura" formaba parte de casi todos los diseños de la época, incluidos el z-pinch , el stellarator y los espejos magnéticos . Todos estos diseños tenían curvas con el plasma en el interior de campos cóncavos y se esperaba que fueran inestables. [2]
En ese momento, las primeras máquinas que se estaban construyendo no mostraban evidencia de este problema, pero eran demasiado pequeñas para demostrarlo de manera concluyente. Se estaban viendo otras inestabilidades, algunas muy graves, pero la flauta simplemente no aparecía. Sin embargo, varios investigadores comenzaron a considerar nuevos conceptos que no usaran este tipo de disposición de campos y que, por lo tanto, serían naturalmente estables. El concepto de cúspide fue desarrollado independientemente en 1954 por James L. Tuck en Los Álamos y Harold Grad en la Universidad de Nueva York . [3] El diseño de Tuck difería del de Grad en gran medida en que consistía en una serie de cúspides colocadas en línea. [4] Una versión de una sola cúspide se consideró un dispositivo más simple para probar el concepto, y se construyó un conjunto de imanes para una de esas máquinas en Los Álamos. [3]
Los cálculos realizados en Los Álamos indicaban que el plasma escaparía del reactor porque las líneas magnéticas estaban "abiertas" y los iones que siguieran una determinada trayectoria tendrían libertad para abandonar el núcleo. Esto significaba que la valla perdería plasma a un ritmo rápido, por muy estable que fuera, y no sería útil como reactor para producir energía. A pesar de ello, podría ser útil para fines experimentales si retuviera su plasma durante más tiempo que los dispositivos inestables, lo que les daría tiempo para realizar mediciones que podrían ser imposibles en otros dispositivos. El trabajo de Grad encontró otra solución: aunque la fuga de plasma era rápida a baja densidad, a mayor densidad la autorrepulsión entre los iones y los electrones lo atraparía durante tiempos mucho más largos. Parecía haber varias formas de lograr esto. [5]
Antes de que se estudiara más a fondo el sistema, los resultados de las versiones más recientes de los otros diseños parecían indicar que el problema de Teller simplemente no se estaba detectando, o al menos estaba muy por debajo de las predicciones. Entre ellos, el concepto de pinza había demostrado serios problemas, pero Tuck y otros habían seguido estudiando el sistema y estaban introduciendo nuevas soluciones. El "pinzamiento estabilizado" resultante pareció resolver los problemas de estabilidad y se empezó a construir una nueva serie de máquinas de pinza mucho más grandes, encabezada por el reactor ZETA en el Reino Unido. El interés en el clímax disminuyó a medida que los otros enfoques parecían estar a punto de producir fusión. [2] El conjunto de imanes de Los Álamos se almacenó. [3] El grupo de Grad también había abandonado en gran medida el concepto a fines de 1956. [6]
A principios de 1958, los británicos anunciaron que ZETA había producido fusión. Meses después, se vieron obligados a publicar una retractación, señalando que los neutrones que vieron no eran de eventos de fusión, sino de un nuevo tipo de inestabilidad que no se había observado anteriormente. Durante el año siguiente, se observaron problemas similares en todos los diseños y la ilusión de progreso se hizo añicos. [7]
Mientras se estudiaban los problemas, se reconsideró el trabajo original sobre el diseño de la cúspide. La fuente de alimentación para la máquina inicial en Los Álamos había estado guardada en un almacén durante años, y luego se sacó del almacén y se utilizó para construir la Picket Fence I de una sola cúspide . Su simplicidad significó que se construyeron sistemas similares en General Atomics , Livermore , Harwell , la Universidad de Utrecht y el Instituto Kharkov , el Instituto de Tecnología Stevens y otros. [3]
En 1960, Picket Fence había superado una serie de problemas iniciales. Los resultados iniciales de la medición de la luz emitida por el plasma caliente sugerían que era estable durante hasta 1 milisegundo, pero diagnósticos posteriores demostraron que se trataba de solo unos pocos microsegundos y que la luz era el resultado de una especie de resplandor. Las mejoras en el dispositivo dieron como resultado ganancias significativas y el confinamiento del plasma mejoró a unos 50 microsegundos, [3] pero aún era mucho menos de lo deseado.
Los campos magnéticos de este sistema se formaban mediante electroimanes colocados muy juntos. Se trataba de una construcción teórica utilizada para modelar cómo contener el plasma . Los campos se formaban mediante dos bobinas de alambre enfrentadas. Estos electroimanes tenían polos enfrentados y en el centro había un punto nulo en el campo magnético. Esto también se denominaba campo de punto cero. Estos dispositivos fueron explorados teóricamente por el Dr. Harold Grad en el Instituto Courant de la Universidad de Nueva York a finales de los años 1950 y principios de los 1960. [8] [9] [10] Debido a que los campos eran simétricos planares, este sistema de plasma era sencillo de modelar.
Las simulaciones de estas geometrías revelaron la existencia de tres clases de partículas. [11] La primera clase se movía de un lado a otro lejos del punto nulo . Estas partículas se reflejaban cerca de los polos de los electroimanes y de la cúspide plana en el centro. Esta reflexión se debía al efecto espejo magnético . [12] [13] Se trata de partículas muy estables, pero su movimiento cambia a medida que irradian energía a lo largo del tiempo. Esta pérdida de radiación surgió de la aceleración o desaceleración por el campo y se puede calcular utilizando la fórmula de Larmor . [14] La segunda partícula se movió cerca del punto nulo en el centro. Debido a que las partículas pasaban por lugares sin campo magnético , sus movimientos podían ser rectos, con un radio de giro infinito . Este movimiento recto hacía que la partícula hiciera un camino más errático a través de los campos. La tercera clase de partículas era una transición entre estos tipos. Las cúspides bicónicas se recuperaron recientemente debido a su geometría similar al reactor de fusión Polywell . [15]
Trabajo de simulación de cúspides bicónicas