Un cañón de riel de plasma es un acelerador lineal que, como un cañón de riel de proyectiles , utiliza dos electrodos largos paralelos para acelerar una armadura "corta deslizante". Sin embargo, en un cañón de riel de plasma, la armadura y el proyectil expulsado consisten en plasma , o partículas calientes, ionizadas y similares a gases, en lugar de una masa sólida de material. Los cañones de riel de plasma científicos normalmente funcionan al vacío y no a presión de aire. Son valiosos porque producen velocidades de salida de hasta varios cientos de kilómetros por segundo. Debido a esto, estos dispositivos tienen aplicaciones en fusión por confinamiento magnético (MCF), fusión magnetoinercial (MIF), investigación en física de alta densidad de energía (HEDP), astrofísica de laboratorio y como motor de propulsión de plasma para naves espaciales.
Los cañones de riel de plasma aparecen en dos topologías principales, lineal y coaxial. Los cañones de riel lineales constan de dos electrodos de placa plana separados por espaciadores aislantes y aceleran armaduras de láminas. Los cañones de riel coaxiales aceleran las armaduras de plasma toroidales utilizando un conductor externo hueco y un conductor interno central y concéntrico.
Los cañones de riel de plasma lineal imponen exigencias extremas a sus aisladores, ya que deben ser un componente de vacío orientado hacia el plasma, eléctricamente aislante, que pueda soportar choques térmicos y acústicos . Además, puede existir un complejo sello de triple junta en la recámara del orificio, lo que a menudo puede plantear un desafío de ingeniería extremo. Los aceleradores coaxiales requieren aisladores sólo en la recámara, pero la armadura de plasma en ese caso está sujeta a la inestabilidad "blow-by". Se trata de una inestabilidad en la que el frente de presión magnética puede superar o "pasar" la armadura de plasma debido a la dependencia radial de la densidad de corriente de aceleración, lo que reduce drásticamente la eficiencia del dispositivo. Los aceleradores coaxiales utilizan diversas técnicas para mitigar esta inestabilidad. En cualquiera de los diseños, se forma una armadura de plasma en la recámara. Como los cañones de riel de plasma son un área abierta de investigación, el método de formación de la armadura varía. Sin embargo, se han empleado técnicas que incluyen la explosión de láminas, la inyección de un disco de explosión de celdas de gas, la inyección de gas neutro a través de una válvula de gas rápida y la inyección capilar de plasma.
Después de la formación de la armadura, el plasmoide se acelera a lo largo del cañón de riel mediante un pulso de corriente impulsado a través de un electrodo, a través de la armadura y fuera del otro electrodo, creando un gran campo magnético detrás de la armadura. Dado que la corriente conductora a través de la armadura también se mueve a través de un campo magnético autogenerado y es normal a él, las partículas de la armadura experimentan una fuerza de Lorentz , que las acelera a lo largo del arma. La geometría y los materiales de los electrodos del acelerador también son áreas abiertas de investigación.
Los chorros controlados de los cañones de riel de plasma pueden tener densidades máximas en el rango de 10 13 a 10 16 partículas/m 3 y velocidades de 5 a 200 km/s , dependiendo de la configuración del diseño del dispositivo y los parámetros operativos, y los límites superiores pueden ser más altos. [ cita necesaria ] Se están evaluando cañones de riel de plasma para aplicaciones en fusión por confinamiento magnético para mitigar interrupciones y repostar combustible en tokamak. [1]
La fusión magnetoinercial busca implosionar un objetivo de fusión DT magnetizado utilizando un revestimiento conductor colapsable, esféricamente simétrico. Los cañones de riel de plasma se están evaluando como un posible método de formación lineal por implosión para la fusión. [ cita necesaria ]
Se podrían utilizar conjuntos de cañones de riel de plasma para crear implosiones pulsadas de ~1 megabar de presión máxima, lo que permitiría un mayor acceso para trazar esta área de apertura de la física del plasma. [ cita necesaria ]
Los chorros de alta velocidad de densidad y temperatura controlables permiten simular parcialmente en el laboratorio y medir directamente fenómenos astrofísicos como el viento solar, los chorros galácticos, los eventos solares y el plasma astrofísico, además de las observaciones astronómicas y satelitales. [ cita necesaria ]