Un espejo magnético , también conocido como trampa magnética o, a veces, como pirotrón , es un tipo de dispositivo de fusión por confinamiento magnético que se utiliza en la energía de fusión para atrapar plasma a alta temperatura mediante campos magnéticos . El espejo fue uno de los primeros enfoques importantes para la energía de fusión, junto con el estelarador y las máquinas Z-Pinch .
En un espejo magnético clásico, se utiliza una configuración de electroimanes para crear un área con una densidad creciente de líneas de campo magnético en cada extremo de un volumen de confinamiento. Las partículas que se aproximan a los extremos experimentan una fuerza creciente que finalmente hace que inviertan su dirección y regresen al área de confinamiento. [1] Este efecto espejo se producirá solo para partículas dentro de un rango limitado de velocidades y ángulos de aproximación, mientras que las que estén fuera de los límites escaparán, lo que hace que los espejos sean inherentemente "permeables".
Un análisis de los primeros dispositivos de fusión realizado por Edward Teller señaló que el concepto básico de espejo es inherentemente inestable. En 1960, los investigadores soviéticos introdujeron una nueva configuración de "B mínima" para abordar este problema, que luego fue modificada por investigadores del Reino Unido y convertida en "bobina de béisbol" y por los EE. UU. en "imán yin-yang". Cada una de estas introducciones condujo a mayores mejoras en el rendimiento, amortiguando diversas inestabilidades, pero requiriendo sistemas de imanes cada vez más grandes. El concepto de espejo en tándem , desarrollado en los EE. UU. y Rusia aproximadamente al mismo tiempo, ofreció una manera de fabricar máquinas de energía positiva sin requerir imanes enormes ni entrada de energía.
A finales de los años 1970, muchos de los problemas de diseño se consideraron resueltos, y el Laboratorio Lawrence Livermore comenzó el diseño de la Instalación de Pruebas de Fusión de Espejos (MFTF) basándose en estos conceptos. La máquina se completó en 1986, pero para entonces, los experimentos en el Experimento de Espejos Tándem más pequeño revelaron nuevos problemas. En una ronda de recortes presupuestarios, el MFTF fue desmantelado y finalmente desechado. Un concepto de reactor de fusión llamado Bumpy torus hizo uso de una serie de espejos magnéticos unidos en un anillo. Se investigó en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge hasta 1986. [2] Desde entonces, el enfoque del espejo ha visto un menor desarrollo, a favor del tokamak , pero la investigación sobre espejos continúa hoy en día en países como Japón y Rusia. [3]
El concepto de confinamiento de plasma por espejo magnético fue propuesto independientemente a principios de la década de 1950 por Gersh Budker [4] en el Instituto Kurchatov , Rusia y Richard F. Post en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en los EE. UU. [5].
Con la formación del Proyecto Sherwood en 1951, Post comenzó el desarrollo de un pequeño dispositivo para probar la configuración del espejo. Éste consistía en un tubo de pyrex lineal con imanes alrededor del exterior. Los imanes estaban dispuestos en dos conjuntos, un conjunto de imanes pequeños espaciados uniformemente a lo largo del tubo y otro par de imanes mucho más grandes en cada extremo. En 1952 pudieron demostrar que el plasma dentro del tubo estaba confinado durante tiempos mucho más largos cuando se activaban los imanes del espejo en el extremo. En ese momento, se refirió a este dispositivo como el "pirotrón", pero este nombre no tuvo éxito.
En una charla sobre la fusión que hoy es famosa y que se pronunció en 1954, Edward Teller señaló que cualquier dispositivo con líneas de campo magnético convexas probablemente sería inestable, un problema que hoy se conoce como inestabilidad de flauta . [6] El espejo tiene precisamente esa configuración; el campo magnético era muy convexo en los extremos donde la intensidad del campo aumentaba. [a] Esto provocó una gran preocupación en Post, pero durante el año siguiente su equipo no pudo encontrar ningún signo de estos problemas. En octubre de 1955 llegó a afirmar que "ahora está quedando claro que, al menos en el caso de la máquina de espejos, estos cálculos no se aplican en detalle". [7]
En Rusia, el primer espejo de pequeña escala ("probkotron") se construyó en 1959 en el Instituto Budker de Física Nuclear en Novosibirsk , Rusia. Inmediatamente vieron el problema sobre el que Teller había advertido. Esto dio lugar a un misterio, ya que los equipos estadounidenses dirigidos por Post seguían sin tener ninguna evidencia de tales problemas. En 1960, Post y Marshall Rosenbluth publicaron un informe "que proporcionaba evidencia de la existencia de un plasma confinado en la estabilidad... donde la teoría hidromagnética más simple predice inestabilidad". [8]
En una reunión sobre física del plasma celebrada en Saltzberg en 1961, la delegación soviética presentó datos considerables que demostraban la inestabilidad, mientras que los equipos estadounidenses seguían sin mostrar nada. Una pregunta informal de Lev Artsimovich zanjó el asunto; cuando preguntó si los gráficos que se estaban elaborando a partir de los instrumentos de las máquinas estadounidenses se habían ajustado para tener en cuenta un retraso bien conocido en la salida de los detectores que se estaban utilizando, de repente quedó claro que la aparente estabilidad de 1 ms era, de hecho, un retraso de 1 ms en las mediciones. [9] Artsimovich llegó a afirmar que "ahora no tenemos un solo hecho experimental que indique un confinamiento prolongado y estable del plasma con iones calientes dentro de una geometría de espejo magnético simple". [10]
La cuestión de las posibles inestabilidades se ha estudiado en este campo desde hace tiempo y se han propuesto varias soluciones posibles, que en general consisten en modificar la forma del campo magnético para que sea cóncavo en todas partes, la denominada configuración de "B mínima". [10]
En la misma reunión de 1961, Mikhail Ioffe presentó datos de un experimento de B mínima. Su diseño utilizó una serie de seis barras adicionales que transportaban corriente en el interior de un espejo por lo demás típico para doblar el plasma en forma de pajarita retorcida para producir una configuración de B mínima. Demostraron que esto mejoraba enormemente los tiempos de confinamiento al orden de milisegundos. Hoy en día, esta disposición se conoce como "barras de Ioffe". [10]
Un grupo del Centro Culham para la Energía de Fusión observó que el sistema de Ioffe podía mejorarse combinando los anillos y las barras originales en un único sistema nuevo similar a la costura de una pelota de tenis. Este concepto fue retomado en los EE. UU., donde se le cambió el nombre por la costura de una pelota de béisbol. Estas "bobinas de béisbol" tenían la gran ventaja de que dejaban abierto el volumen interno del reactor, lo que permitía un fácil acceso para los instrumentos de diagnóstico. El inconveniente era que el tamaño del imán en comparación con el volumen del plasma era un inconveniente y requería imanes muy potentes. Post introdujo más tarde una mejora adicional, las "bobinas yin-yang", que utilizaban dos imanes en forma de C para producir la misma configuración de campo, pero en un volumen más pequeño.
En Estados Unidos se estaban produciendo importantes cambios en el programa de fusión. Robert Hirsch y su asistente Stephen O. Dean estaban entusiasmados con el enorme avance en el rendimiento observado en los tokamaks soviéticos , que sugerían que la producción de energía era ahora una posibilidad real. Hirsch comenzó a cambiar el programa, que él ridiculizaba como una serie de experimentos científicos descoordinados, a un esfuerzo planificado para alcanzar en última instancia el punto de equilibrio . Como parte de este cambio, comenzó a exigir que los sistemas actuales demostraran un progreso real o serían cancelados. El toro accidentado , el levitrón y el Astron fueron abandonados, no sin luchar. [11]
Dean se reunió con el equipo de Livermore y dejó en claro que Astron probablemente sería recortado, y que los espejos tenían que mejorar o enfrentar también el recorte, lo que habría dejado al laboratorio sin proyectos de fusión importantes. En diciembre de 1972, Dean se reunió con el equipo de espejos y presentó una serie de demandas; sus sistemas tendrían que demostrar un valor nT de 10 12 , en comparación con el mejor número actual en 2XII de 8x10 9 . Después de una considerable preocupación por parte de los investigadores de que esto sería imposible, Dean dio marcha atrás y dijo que 10 11 se demostraría a fines de 1975. [11]
Aunque el 2XII no estaba ni cerca del nivel que exigía Dean, demostró con gran éxito que el sistema yin-yang era viable y suprimió las principales inestabilidades observadas en espejos anteriores. Pero a medida que los experimentos continuaron hasta 1973, los resultados no mejoraron como se esperaba. Surgieron planes para forzar el rendimiento mediante la adición de una inyección de haz neutro para aumentar rápidamente la temperatura hasta alcanzar las condiciones de Dean. El resultado fue el 2XIIB, la B de "haces". [12]
Mientras se estaba preparando el 2XIIB, en noviembre de 1974, Fowler recibió una carta de Ioffe que contenía una serie de fotografías de trazas de osciloscopio sin ninguna otra explicación. Fowler se dio cuenta de que demostraban que la inyección de plasma caliente durante el ensayo mejoraba el confinamiento. Esto parecía deberse a una inestabilidad esperada desde hacía tiempo pero hasta el momento no vista, conocida como "cono de pérdida de deriva del ciclotrón" o DCLC. [13] Las fotografías de Ioffe demostraron que se estaba observando DCLC en los reactores soviéticos y que el plasma caliente parecía estabilizarlo. [14]
El reactor 2XIIB comenzó a experimentar en 1975 y se observó inmediatamente una importante DCLC. Lamentablemente, el efecto se hizo más fuerte a medida que mejoraban las condiciones de funcionamiento con un mejor vacío y limpieza del interior. Fowler reconoció que el rendimiento era idéntico al de las fotografías de Ioffe y se modificó el reactor 2XIIB para inyectar plasma caliente durante la parte central del experimento. Cuando se vieron los resultados, se describieron como "la luz del sol atravesaba las nubes y existía la posibilidad de que todo estuviera bien". [15]
En julio de 1975, el equipo 2XIIB presentó sus resultados para nT en 7x10 10 , un orden de magnitud mejor que 2XII y lo suficientemente cercano a los requisitos de Dean. [15] En ese momento, el Princeton Large Torus había entrado en funcionamiento y estaba estableciendo récord tras récord, lo que impulsó a Hirsch a comenzar a planificar máquinas aún más grandes para principios de la década de 1980 con el objetivo explícito de alcanzar el punto de equilibrio , o Q = 1. Esto se conoció como el Reactor de prueba de fusión Tokamak (TFTR), cuyo objetivo era funcionar con combustible de deuterio - tritio y alcanzar Q = 1, mientras que las máquinas futuras serían Q > 10. [16]
Con los últimos resultados del 2XIIB, parecía que un diseño yin-yang más grande también mejoraría el rendimiento. Sin embargo, los cálculos mostraron que solo alcanzaría Q = 0,03. Incluso las versiones más desarrolladas del concepto básico, con fugas en el límite inferior absoluto permitido por la teoría, solo podían alcanzar Q = 1,2. Esto hizo que estos diseños fueran en gran medida inútiles para la producción de energía, y Hirsch exigió que esto se mejorara si el programa iba a continuar. Este problema se conoció como "mejora de Q". [16]
En marzo de 1976, el equipo de Livermore decidió organizar un grupo de trabajo sobre el tema de la mejora de Q en la reunión internacional sobre fusión de octubre de 1976 en Alemania. Durante el fin de semana del 4 de julio, Fowler y Post idearon la idea del espejo tándem, un sistema que consta de dos espejos en cada extremo de una gran cámara que contenía grandes cantidades de combustible de fusión a una presión magnética más baja. Regresaron al LLNL el lunes y descubrieron que la idea había sido desarrollada de forma independiente por un físico del personal, Grant Logan. Trajeron versiones más desarrolladas de estas ideas a Alemania y encontraron a un investigador soviético que proponía exactamente la misma solución. [17]
A su regreso de la reunión, Dean se reunió con el equipo y decidió cerrar el sistema Baseball II y destinar su financiación a un proyecto de espejo tándem. Esto surgió como el Experimento de Espejo Tándem o TMX. [18] El diseño final se presentó y aprobó en enero de 1977. La construcción de lo que entonces era el experimento más grande en Livermore se completó en octubre de 1978. En julio de 1979, los experimentos demostraban que el TMX estaba funcionando como se esperaba. [19]
Incluso antes de que surgiera el concepto de espejo tándem, el Departamento de Energía de ese momento había acordado financiar la construcción de un espejo mucho más grande conocido como Instalación de Prueba de Fusión de Espejos ( Mirror Fusion Test Facility , MFTF). En ese momento, el plan para MFTF era simplemente ser el imán yin-yang más grande que alguien pudiera imaginar cómo construir. Con el éxito del concepto TMX, el diseño se modificó para convertirse en MFTF-B, utilizando dos de los imanes yin-yang más grandes que alguien pudiera imaginar cómo construir en una enorme configuración en tándem. El objetivo era cumplir con Q = 5. A fines de 1978, cuando los equipos comenzaron a considerar realmente los pasos para ampliar el TMX, quedó claro que simplemente no alcanzaría los objetivos requeridos. [20] En enero de 1979, Fowler detuvo el trabajo, afirmando que habría que encontrar alguna mejora. [21]
Durante los experimentos con el TMX, se descubrió, para sorpresa de todos, que la ley introducida por Lyman Spitzer en los años 50 no se cumplía; al menos en el TMX, se descubrió que los electrones en cualquier línea magnética se encontraban en una amplia variedad de velocidades, lo que era totalmente inesperado. El trabajo posterior de John Clauser demostró que esto se debía a la inyección de plasma caliente utilizada para suprimir la DCLC. Logan tomó estos resultados y los utilizó para idear una forma completamente nueva de confinar el plasma; con la disposición cuidadosa de estos electrones, se podría producir una región con una gran cantidad de electrones "fríos" que atraerían a los iones cargados positivamente. Dave Baldwin demostró luego que esto se podía mejorar mediante los rayos neutros. Fowler se refirió al resultado como una " barrera térmica ", ya que el combustible más caliente era repelido de estas regiones. Parecía que podía mantener el confinamiento utilizando mucha menos energía que el concepto TMX puro. [22]
Este resultado sugería que el MFTF no sólo cumpliría con un Q = 5 arbitrario, sino que lo convertiría en un verdadero competidor de los tokamaks, que prometían valores Q mucho más altos . Fowler comenzó el diseño de otra versión del MFTF, todavía llamada MFTF-B, basada en el concepto de barrera térmica. El laboratorio decidió que debían comenzar la construcción, a falta de evidencia experimental de que el concepto funcionara, para poder sacar una máquina competitiva aproximadamente al mismo tiempo que el TFTR. Mientras se construía esta enorme máquina, se modificaría el TMX para probar el concepto. [23]
El 28 de enero de 1980, Fowler y su equipo presentaron sus resultados al DOE. Demostrando que el TMX había funcionado, y armados con datos adicionales de los soviéticos, así como simulaciones por computadora, presentaron un plan para comenzar la construcción de un MFTF de 226 millones de dólares mientras actualizaban el TMX para agregar las barreras térmicas en el TMX-U de 14 millones de dólares. La propuesta fue aceptada y la construcción de ambos sistemas comenzó, y el TMX se cerró en septiembre de 1980 para su conversión. [24]
El TMX-U comenzó a realizar experimentos en julio de 1982, cuando ya se estaban instalando partes de un MFTF del tamaño de un Boeing 747 en el edificio 431. [25] Sin embargo, cuando intentaron aumentar la densidad del plasma a los valores necesarios para el MFTF, descubrieron que el plasma que se escapaba del tanque central superaba las barreras térmicas. No había ninguna razón obvia para creer que no ocurriría lo mismo en el MFTF. Si las tasas observadas en el TMX-U eran típicas, no había forma de que el MFTF se acercara remotamente a sus objetivos de Q. [26]
La construcción del MFTF, que ya estaba presupuestada, continuó y el sistema se declaró oficialmente terminado el 21 de febrero de 1986, con un precio final de 372 millones de dólares. Si bien agradeció al equipo por sus contribuciones en la construcción del sistema, el nuevo director del DOE, John Clarke, también anunció que no habría fondos para operarlo. [27] Clarke lamentó más tarde que la decisión de cancelar el proyecto fuera muy difícil: "Habría sido mucho más fácil si hubiera tenido un fallo técnico que señalar". [26]
Estuvo sin utilizarse durante un año a la espera de que se le proporcionara financiación para su funcionamiento, pero nunca se consiguió. La máquina fue desguazada en 1987. El Departamento de Energía también recortó la financiación de la mayoría de los demás programas de réplicas. [27]
En Rusia se sigue investigando sobre espejos magnéticos. Un ejemplo moderno es la Trampa Dinámica de Gas , una máquina de fusión experimental utilizada en el Instituto Budker de Física Nuclear en Akademgorodok (Ciudad Académica) en Novosibirsk (Nueva Siberia), Rusia. Esta máquina ha logrado una relación beta de 0,6 durante 5⨉10 -3 segundos, a una temperatura baja de 1 keV.
El concepto tenía varios desafíos técnicos, entre ellos el de mantener la distribución de velocidad no maxwelliana. Esto significaba que, en lugar de que muchos iones de alta energía chocaran entre sí, la energía de los iones se extendía en una curva de campana. Los iones se termalizaban, dejando la mayor parte del material demasiado frío para fusionarse. Las colisiones también dispersaban tanto las partículas cargadas que no podían ser contenidas. Por último, las inestabilidades del espacio de velocidad contribuyeron al escape del plasma . [ cita requerida ]
En septiembre de 2022, los investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison crearon una empresa emergente denominada Realta Fusion para desarrollar y comercializar reactores de espejo en tándem para suministrar calor a los procesos industriales con plantas de energía más pequeñas. [28] Su objetivo declarado es un "camino de menor capital y menor complejidad" hacia la energía de fusión. [29] [30] [31] En mayo de 2023, el Departamento de Energía de los Estados Unidos otorgó a la empresa financiación adicional. [32]
Los espejos magnéticos desempeñan un papel importante en otros tipos de dispositivos de energía de fusión magnética , como los tokamaks , donde el campo magnético toroidal es más fuerte en el lado interior que en el exterior. Los efectos resultantes se conocen como neoclásicos . Los espejos magnéticos también se producen en la naturaleza. Los electrones e iones de la magnetosfera , por ejemplo, rebotarán de un lado a otro entre los campos más fuertes de los polos, lo que dará lugar a los cinturones de radiación de Van Allen . [ cita requerida ]
El efecto espejo se puede demostrar matemáticamente. Supongamos que el momento magnético es invariante adiabático , es decir, que el momento magnético de la partícula y la energía total no cambian. [33] La invariancia adiabática se pierde cuando una partícula ocupa un punto nulo o una zona sin campo magnético. [34] El momento magnético se puede expresar como:
Se supone que μ permanecerá constante mientras la partícula se mueve hacia el campo magnético más denso. Matemáticamente, para que esto suceda, la velocidad perpendicular al campo magnético también debe aumentar. Mientras tanto, la energía total de la partícula puede expresarse como:
En regiones sin campo eléctrico, si la energía total permanece constante, la velocidad paralela al campo magnético debe disminuir. Si puede volverse negativa, entonces existe un movimiento que repele la partícula de los campos densos. [ cita requerida ]
Los espejos magnéticos tienen una relación de espejo que se expresa matemáticamente como: [35]
Al mismo tiempo, las partículas dentro del espejo tienen un ángulo de inclinación . Este es el ángulo entre el vector de velocidad de las partículas y el vector del campo magnético. [36] Sorprendentemente, las partículas con el ángulo de inclinación pequeño pueden escapar del espejo. [37] Se dice que estas partículas están en el cono de pérdida . Las partículas reflejadas cumplen los siguientes criterios: [38]
¿Dónde está la velocidad de la partícula perpendicular al campo magnético y la velocidad de la partícula paralela al campo magnético?
Este resultado fue sorprendente porque se esperaba que las partículas más pesadas y rápidas, o aquellas con menor carga eléctrica, fueran más difíciles de reflejar. También se esperaba que un campo magnético más pequeño reflejara menos partículas. Sin embargo, el radio de giro en esas circunstancias también es mayor, de modo que el componente radial del campo magnético visto por la partícula también es mayor. Es cierto que el volumen mínimo y la energía magnética son mayores para el caso de partículas rápidas y campos débiles, pero la relación de espejo requerida sigue siendo la misma.
Las propiedades de los espejos magnéticos se pueden derivar utilizando la invariancia adiabática del flujo magnético ante cambios en la intensidad del campo magnético. A medida que el campo se hace más fuerte, la velocidad aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada de B, y la energía cinética es proporcional a B. Esto se puede considerar como un potencial efectivo que une a la partícula. [ cita requerida ]
Una botella magnética está formada por dos espejos magnéticos colocados uno junto al otro. Por ejemplo, dos bobinas paralelas separadas por una pequeña distancia que transportan la misma corriente en la misma dirección producirán una botella magnética entre ellas. A diferencia de la máquina de espejo completo, que normalmente tenía muchos anillos grandes de corriente que rodeaban el centro del campo magnético, la botella normalmente tiene solo dos anillos de corriente. Las partículas cercanas a cada extremo de la botella experimentan una fuerza magnética hacia el centro de la región; las partículas con velocidades apropiadas giran en espiral repetidamente de un extremo de la región al otro y viceversa. Las botellas magnéticas se pueden utilizar para atrapar temporalmente partículas cargadas. Es más fácil atrapar electrones que iones, porque los electrones son mucho más ligeros. [39] Esta técnica se utiliza para confinar la alta energía del plasma en experimentos de fusión.
De manera similar, el campo magnético no uniforme de la Tierra atrapa partículas cargadas provenientes del Sol en regiones con forma de rosquilla alrededor de la Tierra llamadas cinturones de radiación de Van Allen , que fueron descubiertos en 1958 utilizando datos obtenidos por instrumentos a bordo del satélite Explorer 1 .
Si uno de los polos de la botella magnética se invierte, se convierte en una cúspide bicónica , que también puede contener partículas cargadas. [40] [41] [42] Las cúspides bicónicas fueron estudiadas por primera vez por Harold Grad en el Courant Institute ; los estudios revelan la presencia de diferentes tipos de partículas dentro de una cúspide bicónica. El enfoque de cúspide bicónica más financiado es el reactor de fusión compacto que fue apoyado por Lockheed-Martin a partir de 2007. [43]
