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Configuración de campo invertido

Configuración de campo invertido: se induce una corriente eléctrica toroidal dentro de un plasma cilíndrico, lo que genera un campo magnético poloidal, invertido respecto de la dirección de un campo magnético aplicado externamente. El toroide compacto axisimétrico de alta beta resultante es autoconfinado.

Una configuración de campo invertido ( FRC ) es un tipo de dispositivo de plasma estudiado como un medio para producir fusión nuclear . Confina un plasma en líneas de campo magnético cerradas sin una penetración central. [1] [2] En una FRC, el plasma tiene la forma de un toro autoestable, similar a un anillo de humo .

Los FRC están estrechamente relacionados con otro dispositivo de fusión por confinamiento magnético autoestable , el esferomak . Ambos se consideran parte de la clase de dispositivos de fusión toroidales compactos . Los FRC normalmente tienen un plasma que es más alargado que los esferomaks, teniendo la forma general de una salchicha ahuecada en lugar de la forma aproximadamente esférica de un esferomak.

Los FRC fueron un área importante de investigación en los años 1960 y 1970, pero tuvieron problemas para escalarlos a productos prácticos de triple fusión (combinaciones objetivo de densidad, temperatura y tiempo de confinamiento). El interés volvió en los años 1990 y, a partir de 2019 , los FRC eran un área de investigación activa.

Historia

El FRC se observó por primera vez en laboratorios a fines de la década de 1950 durante experimentos de pellizco theta con un campo magnético de fondo invertido. [3] La idea original se atribuyó al científico e ingeniero griego Nicholas C. Christofilos, quien desarrolló el concepto de capas E para el reactor de fusión Astron . [4]

Los primeros estudios se realizaron en el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) en la década de 1960. Se recopilaron datos considerables y se publicaron más de 600 artículos. [5] Casi toda la investigación se llevó a cabo durante el Proyecto Sherwood en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) de 1975 a 1990, [6] y durante 18 años en el Laboratorio de Física del Plasma de Redmond de la Universidad de Washington , [7] con el experimento de gran tamaño ( LSX). [8]

Investigaciones posteriores se realizaron en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), [9] el Instituto de Tecnología de Fusión (FTI) de la Universidad de Wisconsin-Madison , [10] el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton , [11] y la Universidad de California, Irvine . [12]

Las empresas privadas ahora estudian los FRC para la generación de electricidad, incluidas General Fusion , TAE Technologies y Helion Energy . [13]

El propulsor de fuerza de Lorentz sin electrodos (ELF) desarrollado por MSNW fue un intento de diseñar un dispositivo de propulsión espacial. [14] ELF era un candidato en el programa de propulsión eléctrica avanzada NextSTEP de la NASA , junto con el propulsor Hall de canal anidado X-3 y VASIMR [15] antes de que MSNW se disolviera.

Aplicaciones

La aplicación principal es la generación de energía de fusión.

El FRC también se considera para la exploración del espacio profundo , no sólo como una posible fuente de energía nuclear, sino como un medio para acelerar un propulsor a altos niveles de impulso específico (I sp ) para naves espaciales y cohetes de fusión propulsados ​​eléctricamente , con interés expresado por la NASA . [16] [17] [18] [19] [20]

Comparaciones

La diferencia entre un FRC y un Spheromak

La producción de energía de fusión mediante el confinamiento del plasma con campos magnéticos es más eficaz si las líneas de campo no penetran en superficies sólidas, sino que se cierran sobre sí mismas formando círculos o superficies toroidales. Los conceptos de confinamiento de líneas principales del tokamak y el stellarator lo hacen en una cámara toroidal, que permite un gran control sobre la configuración magnética, pero requiere una construcción muy compleja. La configuración de campo invertido ofrece una alternativa en la que las líneas de campo están cerradas, lo que proporciona un buen confinamiento, pero la cámara es cilíndrica, lo que permite una construcción y un mantenimiento más sencillos y fáciles. [21]

Las configuraciones de campo invertido y los esferomaks se conocen juntos como toroides compactos . Los esferomaks y los FRC se diferencian en que un esferomak tiene un campo toroidal adicional. Este campo toroidal puede correr a lo largo de la misma dirección o en dirección opuesta a la del plasma giratorio. [22] En el esferomak, la fuerza del campo magnético toroidal es similar a la del campo poloidal . Por el contrario, el FRC tiene poco o ningún componente de campo toroidal y está confinado únicamente por un campo poloidal. La falta de un campo toroidal significa que el FRC no tiene helicidad magnética y que tiene una beta alta . La beta alta hace que el FRC sea atractivo como reactor de fusión y adecuado para combustibles aneutrónicos debido al bajo campo magnético requerido. Los esferomaks tienen β  ≈ 0,1 mientras que un FRC típico tiene β  ≈ 1. [23] [24]

Formación

Las dimensiones de un FRC, incluido el parámetro S.

En los experimentos FRC modernos, la corriente de plasma que invierte el campo magnético se puede inducir de diversas maneras.

Cuando se forma una configuración de campo invertido utilizando el método de pinzamiento theta (o campo eléctrico inductivo), una bobina cilíndrica produce primero un campo magnético axial. Luego se preioniza el gas, que se "congela" en el campo de polarización desde un punto de vista magnetohidrodinámico ; finalmente, se invierte el campo axial, de ahí la "configuración de campo invertido". En los extremos, se produce la reconexión del campo de polarización y el campo principal, lo que produce líneas de campo cerradas. El campo principal se eleva aún más, comprimiendo y calentando el plasma y proporcionando un campo de vacío entre el plasma y la pared. [25]

Se sabe que los haces neutros impulsan la corriente en los Tokamaks [26] al inyectar directamente partículas cargadas. Los FRC también se pueden formar, mantener y calentar mediante la aplicación de haces neutros. [24] [27] En experimentos como el anterior, una bobina cilíndrica produce un campo magnético axial uniforme y se introduce gas y se ioniza, creando un plasma de fondo. Luego se inyectan partículas neutras en el plasma. Se ionizan y las partículas más pesadas, cargadas positivamente, forman un anillo de corriente que invierte el campo magnético.

Los esferomaks son configuraciones similares a las FRC con un campo magnético toroidal finito. Las FRC se han formado mediante la fusión de esferomaks de campos toroidales opuestos y que se cancelan. [28]

Los campos magnéticos rotatorios también se han utilizado para impulsar la corriente. [29] En experimentos como el anterior, se ioniza el gas y se produce un campo magnético axial. Se produce un campo magnético rotatorio mediante bobinas magnéticas externas perpendiculares al eje de la máquina, y la dirección de este campo se rota alrededor del eje. Cuando la frecuencia de rotación está entre las frecuencias giroscópicas de iones y electrones, los electrones en el plasma giran conjuntamente con el campo magnético (son "arrastrados"), produciendo corriente e invirtiendo el campo magnético. Más recientemente, se han utilizado los llamados campos magnéticos rotatorios de paridad impar [30] [31] para preservar la topología cerrada del FRC. Se ha demostrado analíticamente que a una magnitud umbral crítica muy alta del campo magnético rotatorio de "paridad impar", las líneas de campo magnético de equilibrio axisimétrico pierden el cierre y cambian fundamentalmente la topología del campo. [31]

Órbitas de partículas individuales

Trayectoria de la partícula FRC en la que una partícula comienza con un movimiento de ciclotrón dentro del nulo, pasa a un movimiento de betatrón y termina como un movimiento de ciclotrón fuera del nulo. Este movimiento se produce en el plano medio de la máquina. Las bobinas se encuentran por encima y por debajo de la figura.

Las FRC contienen una característica importante y poco común: un "punto nulo magnético" o línea circular en la que el campo magnético es cero. Esto es necesariamente así, ya que dentro del punto nulo el campo magnético apunta en una dirección y fuera del punto nulo el campo magnético apunta en la dirección opuesta. Las partículas alejadas del punto nulo trazan órbitas de ciclotrón cerradas como en otras geometrías de fusión magnética. Sin embargo, las partículas que cruzan el punto nulo no trazan órbitas de ciclotrón o circulares, sino órbitas de betatrón o en forma de ocho, [32] ya que la curvatura de la órbita cambia de dirección cuando cruza el punto nulo magnético.

Debido a que las órbitas de las partículas no son ciclotrones, los modelos de comportamiento del plasma basados ​​en el movimiento ciclotrón como la magnetohidrodinámica (MHD) no son aplicables en la región alrededor del nulo. El tamaño de esta región está relacionado con el parámetro s, [33] o la relación entre la distancia entre el nulo y la separatriz, y el radio de giro térmico del ión. En s altos, la mayoría de las partículas no cruzan el nulo y este efecto es insignificante. En s bajos, ~2, este efecto domina y se dice que la FRC es "cinética" en lugar de "MHD".

Estabilidad del plasma

Con un parámetro s bajo, la mayoría de los iones dentro de un FRC siguen órbitas de betatrones grandes (su radio de giro promedio es aproximadamente la mitad del tamaño del plasma), que son típicas en la física de aceleradores en lugar de la física del plasma . Estos FRC son muy estables porque el plasma no está dominado por partículas de radio de giro pequeño habituales como otros plasmas de equilibrio termodinámico o no térmicos . Su comportamiento no está descrito por la magnetohidrodinámica clásica , por lo tanto, no hay ondas de Alfvén y casi no hay inestabilidades MHD a pesar de su predicción teórica, [ cita requerida ] y evita el "transporte anómalo" típico, es decir, procesos en los que se produce una pérdida excesiva de partículas o energía . [34] [35] [36]

A partir del año 2000 se están estudiando varias inestabilidades restantes:

Experimentos

Propulsión de naves espaciales

Se han considerado dispositivos de configuración de campo invertido para la propulsión de naves espaciales. Al inclinar las paredes del dispositivo hacia afuera, el plasmoide puede acelerarse en dirección axial y hacia afuera del dispositivo, lo que genera empuje.

Enlaces externos

Referencias

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