Un estelarador es un dispositivo de plasma que se basa principalmente en imanes externos para confinar un plasma. Los científicos que investigan la fusión por confinamiento magnético pretenden utilizar dispositivos estelares como recipiente para reacciones de fusión nuclear. El nombre hace referencia a la posibilidad de aprovechar la fuente de energía de las estrellas , como el Sol . [1] Es uno de los primeros dispositivos de energía de fusión , junto con el z-pinch y el espejo magnético .
El stellarator fue inventado por el científico estadounidense Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton en 1951, y gran parte de su desarrollo inicial fue llevado a cabo por su equipo en lo que se convirtió en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). El Modelo A de Lyman comenzó a funcionar en 1953 y demostró confinamiento por plasma. Siguieron modelos más grandes, pero demostraron un rendimiento deficiente, perdiendo plasma a tasas mucho peores que las predicciones teóricas. A principios de la década de 1960, cualquier esperanza de producir rápidamente una máquina comercial se desvaneció y la atención se centró en el estudio de la teoría fundamental de los plasmas de alta energía. A mediados de la década de 1960, Spitzer estaba convencido de que el stellarator igualaba la velocidad de difusión de Bohm , lo que sugería que nunca sería un dispositivo de fusión práctico.
La publicación de información sobre el diseño del tokamak de la URSS en 1968 indicó un salto en el rendimiento. Después de un gran debate dentro de la industria estadounidense, PPPL convirtió el stellarator Modelo C al Tokamak Simétrico (ST) como una forma de confirmar o desmentir estos resultados. ST los confirmó, y el trabajo a gran escala sobre el concepto stellarator terminó en los EE. UU. cuando el tokamak acaparó la mayor parte de la atención durante las siguientes dos décadas. La investigación sobre el diseño continuó en Alemania y Japón, donde se construyeron varios diseños nuevos.
Al final, el tokamak demostró tener problemas similares a los de los stellarators, pero por diferentes razones. Desde la década de 1990, el diseño del Stellarator ha despertado un interés renovado. [2] Nuevos métodos de construcción han aumentado la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. [3] Se han construido varios dispositivos nuevos para probar estos conceptos. Los principales ejemplos incluyen Wendelstein 7-X en Alemania, el Experimento helicoidalmente simétrico (HSX) en los EE. UU. y el Dispositivo helicoidal grande en Japón.
En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio a una lámina metálica que contenía deuterio , litio u otros elementos. [4] Estos experimentos les permitieron medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión entre núcleos, y determinaron que la reacción tritio-deuterio se produjo con una energía más baja que cualquier otro combustible, alcanzando un máximo de aproximadamente 100.000 electronvoltios (100 keV). [5] [un]
100 keV corresponden a una temperatura de aproximadamente mil millones de kelvins . Debido a las estadísticas de Maxwell-Boltzmann , un gas a granel a una temperatura mucho más baja todavía contendrá algunas partículas a estas energías mucho más altas. Debido a que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso una pequeña cantidad de estas reacciones pueden liberar suficiente energía para mantener el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi demostró que esto ocurriría a una temperatura global de unos 50 millones de grados Celsius, todavía muy caliente pero dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar dicho plasma; ningún contenedor de material podría soportar esas temperaturas. Pero como los plasmas son conductores de electricidad, están sujetos a campos eléctricos y magnéticos que proporcionan diversas soluciones. [6]
En un campo magnético, los electrones y núcleos del plasma rodean las líneas de fuerza magnéticas. Una forma de proporcionar cierto confinamiento sería colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide . Un solenoide crea líneas magnéticas que recorren su centro y el combustible se mantendría alejado de las paredes orbitando estas líneas de fuerza. Pero tal disposición no limita el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo en forma de toro (rosquilla), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan girar para siempre. [7]
Sin embargo, esta solución en realidad no funciona. Por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toroide están más juntos en la curva interior, dentro del "agujero de rosquilla". Fermi notó que esto haría que los electrones se alejaran de los núcleos, lo que eventualmente provocaría que se separaran y provocaran que se desarrollaran grandes voltajes. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma dentro del toro se expandiera hasta golpear las paredes del reactor. [7]
Después de la Segunda Guerra Mundial , varios investigadores comenzaron a considerar diferentes formas de confinar un plasma. George Paget Thomson, del Imperial College de Londres, propuso un sistema ahora conocido como z-pinch , que hace pasar una corriente a través del plasma. [8] Debido a la fuerza de Lorentz , esta corriente crea un campo magnético que atrae el plasma sobre sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes del reactor. Esto elimina la necesidad de imanes en el exterior, evitando el problema que señaló Fermi. A finales de la década de 1940, varios equipos en el Reino Unido habían construido varios pequeños dispositivos experimentales utilizando esta técnica. [8]
Otra persona que trabajó en reactores de fusión controlada fue Ronald Richter , un científico alemán que se mudó a Argentina después de la guerra. Su termotrón utilizó un sistema de arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para calentar y confinar. Convenció a Juan Perón para que financiara el desarrollo de un reactor experimental en una isla aislada cerca de la frontera con Chile. Conocido como el Proyecto Huemul , se completó en 1951. Richter pronto se convenció de que se había logrado la fusión a pesar de que otras personas que trabajaban en el proyecto no estaban de acuerdo. [9] El "éxito" fue anunciado por Perón el 24 de marzo de 1951, convirtiéndose en el tema de los periódicos de todo el mundo. [10]
Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Lyman Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien mencionó un artículo sobre Huemul en The New York Times . [11] Al revisar la descripción en el artículo, Spitzer concluyó que no era posible que funcionara; el sistema simplemente no pudo proporcionar suficiente energía para calentar el combustible a temperaturas de fusión. Pero la idea se le quedó grabada y empezó a considerar sistemas que funcionaran. Mientras subía en el remonte , se le ocurrió el concepto stellarator. [12] [b]
El concepto básico era una forma de modificar el diseño del toro para que abordara las preocupaciones de Fermi a través de la geometría del dispositivo. Al girar un extremo del toro en comparación con el otro, formando un diseño en forma de 8 en lugar de un círculo, las líneas magnéticas ya no viajaban alrededor del tubo en un radio constante, sino que se acercaban y alejaban del centro del toro. Una partícula que orbitara estas líneas se encontraría moviéndose constantemente dentro y fuera a lo largo del eje menor del toro. La deriva hacia arriba mientras viajaba a través de una sección del reactor se revertiría después de media órbita y volvería a descender. La cancelación no fue perfecta, pero parecía que reduciría tanto las tasas netas de deriva que el combustible permanecería atrapado el tiempo suficiente para calentarlo a las temperaturas requeridas. [13]
Su descripción de 1958 fue simple y directa:
El confinamiento magnético en el stellarator se basa en un fuerte campo magnético producido por bobinas solenoides que rodean un tubo toroidal. La configuración se caracteriza por una "transformación rotacional", tal que una sola línea de fuerza magnética, seguida alrededor del sistema, corta un plano de sección transversal en puntos que giran sucesivamente alrededor del eje magnético. ... Una transformada rotacional puede generarse mediante un campo solenoidal en un tubo retorcido o en forma de ocho, o mediante el uso de un campo helicoidal multipolar transversal adicional, con simetría helicoidal. [14]
Mientras trabajaba en Los Alamos en 1950, John Wheeler sugirió establecer un laboratorio de investigación secreto en la Universidad de Princeton que llevaría a cabo trabajos teóricos sobre bombas H después de su regreso a la universidad en 1951. Spitzer fue invitado a unirse a este programa, dada su experiencia previa. Investigación en plasmas interestelares. [15]
Pero en el momento de su viaje a Aspen, Spitzer había perdido interés en el diseño de bombas y, a su regreso, dedicó su atención a tiempo completo a la fusión como fuente de energía. [16] Durante los siguientes meses, Spitzer produjo una serie de informes que describen la base conceptual del stellarator, así como los problemas potenciales. La serie se destaca por su profundidad; no sólo incluyó un análisis detallado de las matemáticas del plasma y la estabilidad, sino que también describió una serie de problemas adicionales como calentar el plasma y lidiar con las impurezas. [17]
Con este trabajo entre manos, Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener fondos para desarrollar el sistema. [17] Esbozó un plan que consta de tres etapas. El primero vería la construcción de un Modelo A, cuyo propósito era demostrar que se podía crear un plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que el de un toro . Si el modelo A tuviera éxito, el modelo B intentaría calentar el plasma a temperaturas de fusión. A esto le seguiría un modelo C, que intentaría crear reacciones de fusión a gran escala. [18] Se esperaba que toda esta serie durara aproximadamente una década. [19]
Casi al mismo tiempo, Jim Tuck conoció el concepto de pellizco mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Le ofrecieron un trabajo en los EE. UU. y finalmente terminó en Los Álamos, donde familiarizó a los otros investigadores con el concepto. Cuando se enteró de que Spitzer estaba promocionando el stellarator, también viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de emergencia. Consideró que los planes de Spitzer eran "increíblemente ambiciosos". Sin embargo, Spitzer logró obtener 50.000 dólares de financiación de la AEC, mientras que Tuck no recibió nada. [18]
El programa de Princeton se creó oficialmente el 1 de julio de 1951. Spitzer, un ávido alpinista, [c] propuso el nombre " Proyecto Matterhorn " porque sentía que "el trabajo en cuestión parecía difícil, como el ascenso de una montaña". [20] Inicialmente se establecieron dos secciones, la Sección S trabajando en el estelarador bajo Spitzer y la Sección B trabajando en el diseño de bombas bajo Wheeler. Matterhorn se instaló en el nuevo campus Forrestal de Princeton, un terreno de 825 acres (334 ha) que la Universidad compró al Instituto Rockefeller de Investigación Médica cuando Rockefeller se mudó a Manhattan . [d] El terreno estaba ubicado a unas 3 millas (4,8 km) del campus principal de Princeton y ya contaba con dieciséis edificios de laboratorio. Spitzer instaló la Sección S ultrasecreta en una antigua conejera. [21]
No pasó mucho tiempo antes de que los otros laboratorios comenzaran a hacer campaña por su propia financiación. Tuck había logrado conseguir cierta financiación para su Maybeatron a través de algunos presupuestos discrecionales en LANL, pero otros equipos en LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también presentaron sus ideas. La AEC finalmente organizó un nuevo departamento para todos estos proyectos, convirtiéndose en el "Proyecto Sherwood". [22]
Con la financiación de la AEC, Spitzer comenzó a trabajar invitando a James Van Allen a unirse al grupo y establecer un programa experimental. Allen sugirió comenzar con un pequeño dispositivo de "mesa". Esto llevó al diseño del Modelo A, que comenzó a construirse en 1952. Estaba hecho de tubos de pyrex de 5 centímetros (2,0 pulgadas) de aproximadamente 350 cm (11,5 pies) de longitud total e imanes con capacidad de aproximadamente 1000 gauss. [23] La máquina comenzó a funcionar a principios de 1953 y demostró claramente un confinamiento mejorado en comparación con el toro simple. [24]
Esto llevó a la construcción del Modelo B, que tenía el problema de que los imanes no estaban bien montados y tendían a moverse cuando se les alimentaba a su capacidad máxima de 50.000 gauss. Un segundo diseño también falló por la misma razón, pero esta máquina demostró rayos X de varios cientos de kilovoltios que sugerían un buen confinamiento. Las lecciones de estos dos diseños llevaron al B-1, que utilizó calentamiento óhmico (ver más abajo) para alcanzar temperaturas del plasma de alrededor de 100.000 grados. [24] Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma causaban grandes emisiones de rayos X que enfriaban rápidamente el plasma. En 1956, el B-1 fue reconstruido con un sistema de vacío ultraalto para reducir las impurezas, pero descubrió que incluso en cantidades más pequeñas seguían siendo un problema grave. Otro efecto observado en el B-1 fue que durante el proceso de calentamiento, las partículas permanecerían confinadas durante sólo unas pocas décimas de milisegundo, mientras que una vez que se apagaba el campo, las partículas restantes quedaban confinadas durante hasta 10 milisegundos. Esto parecía deberse a "efectos cooperativos" dentro del plasma. [25]
Mientras tanto, se estaba construyendo una segunda máquina conocida como B-2. Era similar a la máquina B-1, pero usaba energía pulsada para permitirle alcanzar una mayor energía magnética e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como bombeo magnético. Esta máquina también fue modificada para agregar un sistema de vacío ultraalto. Desafortunadamente, B-2 demostró poco calentamiento por el bombeo magnético, lo cual no fue del todo inesperado porque este mecanismo requería tiempos de confinamiento más prolongados, y esto no se estaba logrando. Como parecía que poco se podía aprender de este sistema en su forma actual, en 1958 fue enviado a la feria Átomos para la Paz en Ginebra . [25] Sin embargo, cuando se modificó el sistema de calefacción, el acoplamiento aumentó dramáticamente, demostrando temperaturas dentro de la sección de calefacción de hasta 1000 electronvoltios (160 aJ). [23] [e]
Se construyeron dos máquinas adicionales para estudiar el funcionamiento pulsado. El B-64 se completó en 1955, esencialmente una versión más grande de la máquina B-1 pero impulsada por pulsos de corriente que producían hasta 15.000 gauss. Esta máquina incluía un desviador que eliminaba las impurezas del plasma, reduciendo en gran medida el efecto de enfriamiento de los rayos X observado en máquinas anteriores. B-64 incluía secciones rectas en los extremos curvos que le daban una apariencia cuadrada. Esta apariencia dio origen a su nombre, era una "figura 8, al cuadrado", u 8 al cuadrado, o 64. Esto llevó a experimentos en 1956 en los que la máquina se volvió a ensamblar sin la torsión de los tubos, lo que permitía que las partículas viajaran. sin rotación. [26]
El B-65, terminado en 1957, se construyó utilizando el nuevo diseño de "pista de carreras". Este fue el resultado de la observación de que agregar bobinas helicoidales a las partes curvas del dispositivo producía un campo que introducía la rotación puramente a través de los campos magnéticos resultantes. Esto tenía la ventaja adicional de que el campo magnético incluía cizallamiento , que se sabía que mejoraba la estabilidad. [26] B-3, también terminada en 1957, era una máquina B-2 muy ampliada con vacío ultra alto y confinamiento pulsado de hasta 50.000 gauss y tiempos de confinamiento proyectados de hasta 0,01 segundos. La última de las máquinas de la serie B fue la B-66, terminada en 1958, que era esencialmente una combinación del diseño de pista de carreras del B-65 con el mayor tamaño y energía del B-3. [25]
Desafortunadamente, todas estas máquinas más grandes presentaban un problema que llegó a conocerse como "bombeo". Este efecto estaba provocando tasas de deriva del plasma que no sólo eran más altas de lo que sugería la teoría clásica, sino también mucho más altas que las tasas de Bohm. La tasa de deriva de B-3 fue tres veces mayor que la de las predicciones de Bohm en el peor de los casos, y no logró mantener el confinamiento durante más de unas pocas decenas de microsegundos. [26]
Ya en 1954, mientras continuaban las investigaciones sobre las máquinas de la serie B, el diseño del dispositivo Modelo C se estaba volviendo más definido. Surgió como una gran máquina con diseño de pista de carreras con múltiples fuentes de calefacción y un desviador, esencialmente un B-66 aún más grande. La construcción comenzó en 1958 y se completó en 1961. Se podía ajustar para permitir un eje menor de plasma de entre 5 y 7,5 centímetros (2,0 y 3,0 pulgadas) y tenía 1200 cm (470 pulgadas) de largo. Las bobinas de campo toroidal normalmente funcionaban a 35.000 gauss. [26]
Cuando el Modelo C comenzó a funcionar, la información recopilada de máquinas anteriores dejaba claro que no sería capaz de producir fusión a gran escala. El transporte de iones a través de las líneas del campo magnético fue mucho mayor de lo que sugería la teoría clásica. Los campos magnéticos enormemente aumentados de las máquinas posteriores hicieron poco para solucionar este problema, y los tiempos de confinamiento simplemente no mejoraban. La atención comenzó a centrarse mucho más en la comprensión teórica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb se hizo cargo del Proyecto Matterhorn de manos de Spitzer, y el 1 de febrero el proyecto pasó a llamarse Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). [21]
Las modificaciones y experimentaciones continuas en el Modelo C mejoraron lentamente su funcionamiento y los tiempos de confinamiento finalmente aumentaron hasta igualar los de las predicciones de Bohm. Se utilizaron nuevas versiones de los sistemas de calefacción que aumentaron lentamente las temperaturas. Entre ellas destaca la adición en 1964 de un pequeño acelerador de partículas para acelerar los iones de combustible a una energía lo suficientemente alta como para cruzar los campos magnéticos, depositando energía dentro del reactor cuando chocaban con otros iones que ya estaban dentro. [21] Este método de calentamiento, ahora conocido como inyección de haz neutro , desde entonces se ha vuelto casi universal en las máquinas de fusión por confinamiento magnético . [27]
El Modelo C pasó la mayor parte de su historia involucrado en estudios de transporte de iones. [21] A través del ajuste continuo del sistema magnético y la adición de nuevos métodos de calentamiento, en 1969, el Modelo C finalmente alcanzó temperaturas de electrones de 400 eV. [28]
A lo largo de este período, surgieron una serie de nuevos diseños potenciales de stellarator, que presentaban un diseño magnético simplificado. El Modelo C usaba bobinas helicoidales y de confinamiento separadas, ya que se trataba de un proceso evolutivo del diseño original que solo tenía bobinas de confinamiento. Otros investigadores, especialmente en Alemania, observaron que se podría lograr la misma configuración general del campo magnético con una disposición mucho más simple. Esto llevó al diseño del torastrón o heliotrón .
En estos diseños, el campo primario es producido por un solo imán helicoidal, similar a uno de los devanados helicoidales del estelarador "clásico". A diferencia de esos sistemas, sólo se necesita un imán y es mucho más grande que los de los estelaradores. Para producir el campo neto, un segundo conjunto de bobinas que corren de forma poloidal alrededor del exterior del imán helicoidal produce un segundo campo vertical que se mezcla con el helicoidal. El resultado es un diseño mucho más simple, ya que los imanes poloidales son generalmente mucho más pequeños y hay un amplio espacio entre ellos para llegar al interior, mientras que en el diseño original los imanes toroidales de confinamiento son relativamente grandes y dejan poco espacio entre ellos. [28] [29]
Una nueva actualización surgió al darse cuenta de que el campo total podría producirse mediante una serie de imanes independientes con la forma del campo local. Esto da como resultado una serie de imanes complejos que están dispuestos como las bobinas toroidales del diseño original. La ventaja de este diseño es que los imanes son totalmente independientes; si uno está dañado se puede reemplazar individualmente sin afectar el resto del sistema. Además, se puede reorganizar el diseño general del campo reemplazando los elementos. Estas "bobinas modulares" son ahora una parte importante de la investigación en curso.
En 1968, los científicos de la Unión Soviética publicaron los resultados de sus máquinas tokamak , en particular su modelo más nuevo, el T-3. Los resultados fueron tan sorprendentes que hubo un escepticismo generalizado. Para solucionar este problema, los soviéticos invitaron a un equipo de expertos del Reino Unido a probar las máquinas por sí mismos. Sus pruebas, realizadas utilizando un sistema basado en láser desarrollado para el reactor ZETA en Inglaterra, verificaron las afirmaciones soviéticas de temperaturas de electrones de 1.000 eV. Lo que siguió fue una "verdadera estampida" de construcción de tokamak en todo el mundo. [30]
Al principio los laboratorios estadounidenses ignoraron el tokamak; El propio Spitzer lo descartó de plano como un error experimental. Sin embargo, a medida que llegaron nuevos resultados, especialmente los informes del Reino Unido, Princeton se encontró en la posición de intentar defender el stellarator como una máquina experimental útil mientras otros grupos de todo Estados Unidos clamaban por fondos para construir tokamaks. En julio de 1969, Gottlieb cambió de opinión y se ofreció a convertir el Modelo C en un diseño de tokamak. En diciembre se cerró y se reabrió en mayo como Symmetric Tokamak (ST).
El ST inmediatamente igualó el rendimiento observado en las máquinas soviéticas, superando los resultados del Modelo C en más de diez veces. A partir de ese momento, PPPL fue el principal desarrollador del enfoque tokamak en EE. UU., introduciendo una serie de máquinas para probar varios diseños y modificaciones. El Princeton Large Torus de 1975 alcanzó rápidamente varias cifras de rendimiento necesarias para una máquina comercial, y se creía ampliamente que el umbral crítico de equilibrio se alcanzaría a principios de los años 1980. Lo que se necesitaba eran máquinas más grandes y sistemas más potentes para calentar el plasma a temperaturas de fusión.
Los tokamaks son un tipo de máquina de pellizco, que se diferencia de diseños anteriores principalmente en la cantidad de corriente en el plasma: por encima de un cierto umbral conocido como factor de seguridad , o q , el plasma es mucho más estable. ZETA funcionó con una q alrededor de 1 ⁄ 3 , mientras que los experimentos con tokamaks demostraron que debe ser al menos 1. Las máquinas que siguieron esta regla mostraron un rendimiento dramáticamente mejorado. Sin embargo, a mediados de los años 1980 el camino fácil hacia la fusión desapareció; A medida que la cantidad de corriente en las nuevas máquinas empezó a aumentar, apareció un nuevo conjunto de inestabilidades en el plasma. Estos problemas podrían abordarse, pero sólo aumentando considerablemente la potencia de los campos magnéticos, lo que requeriría imanes superconductores y enormes volúmenes de confinamiento. El coste de dicha máquina fue tal que las partes involucradas se unieron para comenzar el proyecto ITER .
A medida que crecieron los problemas con el enfoque del tokamak, resurgió el interés en el enfoque del stellarator. [2] Esto coincidió con el desarrollo de herramientas avanzadas de planificación asistidas por computadora que permitieron la construcción de imanes complejos que se conocían anteriormente pero que se consideraban demasiado difíciles de diseñar y construir. [31] [32]
Nuevos materiales y métodos de construcción han aumentado la calidad y potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. Se han construido nuevos dispositivos para probar estos conceptos. Los principales ejemplos incluyen Wendelstein 7-X en Alemania, el Experimento helicoidalmente simétrico (HSX) en los EE. UU. y el Dispositivo helicoidal grande en Japón. W7X y LHD utilizan bobinas magnéticas superconductoras .
La falta de corriente interna elimina algunas de las inestabilidades del tokamak, lo que significa que el stellarator debería ser más estable en condiciones operativas similares. La desventaja es que, dado que carece del confinamiento que proporciona la corriente que se encuentra en un tokamak, el stellarator requiere imanes más potentes para alcanzar cualquier confinamiento determinado. El stellarator es una máquina inherentemente de estado estable, que tiene varias ventajas desde el punto de vista de la ingeniería.
Calentar un gas aumenta la energía de las partículas que contiene, por lo que al calentar un gas a cientos de millones de grados, la mayoría de las partículas que contiene alcanzan la energía necesaria para fusionarse. Según la distribución de Maxwell-Boltzmann , algunas de las partículas alcanzarán las energías requeridas a temperaturas medias mucho más bajas. Debido a que la energía liberada por la reacción de fusión es mucho mayor que la que se necesita para iniciarla, incluso una pequeña cantidad de reacciones pueden calentar el combustible circundante hasta que también se fusione. En 1944, Enrico Fermi calculó que la reacción DT sería autosostenida a unos 50.000.000 de grados Celsius (90.000.000 de grados Fahrenheit). [33]
Los materiales calentados más allá de unas pocas decenas de miles de grados se ionizan en sus electrones y núcleos , produciendo un estado de materia similar al gas conocido como plasma . Según la ley de los gases ideales , como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y, por tanto, quiere expandirse. [34] Para un reactor de fusión, el desafío es mantener el plasma contenido. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético, confinándolos al área definida por el campo. [35] [36]
Se puede crear un sistema de confinamiento simple colocando un tubo dentro del núcleo abierto de un solenoide . El tubo se puede evacuar y luego llenar con el gas necesario y calentar hasta que se convierta en plasma. El plasma naturalmente quiere expandirse hacia las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea líneas de campo magnético que recorren el centro del tubo y las partículas de plasma orbitan estas líneas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Desafortunadamente, esta disposición no confinaría el plasma a lo largo del tubo y el plasma podría fluir libremente hacia los extremos. [37]
La solución obvia a este problema es doblar el tubo en forma de toro (un anillo o rosquilla). [37] El movimiento hacia los lados permanece restringido como antes, y aunque las partículas permanecen libres para moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje longitudinal del tubo. Pero, como señaló Fermi, [f] cuando el solenoide se dobla formando un anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos por dentro que por fuera. Esto daría lugar a un campo desigual a lo largo del tubo y el combustible se alejaría lentamente del centro. Dado que los electrones y los iones se desplazarían en direcciones opuestas, esto conduciría a una separación de cargas y fuerzas electrostáticas que eventualmente superarían la fuerza magnética. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando un confinamiento a largo plazo . [7] [37]
El concepto clave de Spitzer en el diseño del estelarador es que la deriva que Fermi notó podría cancelarse mediante la disposición física del tubo de vacío. En un toro, las partículas en el borde interior del tubo, donde el campo era más fuerte, ascenderían, mientras que las del exterior descenderían (o viceversa). Sin embargo, si se hiciera que la partícula alternara entre el interior y el exterior del tubo, las derivas alternarían entre arriba y abajo y se cancelarían. La cancelación no es perfecta, dejando cierta deriva neta, pero los cálculos básicos sugirieron que la deriva se reduciría lo suficiente como para confinar el plasma el tiempo suficiente para calentarlo lo suficiente. [39]
La sugerencia de Spitzer para hacer esto fue simple. En lugar de un toro normal, el dispositivo esencialmente se cortaría por la mitad para producir dos medios toros. Luego se unirían con dos tramos rectos entre los extremos abiertos. La clave era que estaban conectados en extremos alternos de modo que la mitad derecha de uno de los tori estuviera conectada a la izquierda del otro. El diseño resultante parecía una figura de 8 visto desde arriba. Como los tubos rectos no podían atravesarse entre sí, el diseño no quedaba plano y los toros de ambos extremos debían estar inclinados. Esto significó que la cancelación de la deriva se redujo aún más, pero nuevamente, los cálculos sugirieron que el sistema funcionaría. [40]
Para comprender cómo funciona el sistema para contrarrestar la deriva, considere la trayectoria de una sola partícula en el sistema comenzando en una de las secciones rectas. Si esa partícula está perfectamente centrada en el tubo, viajará por el centro hasta uno de los semitoris, saldrá al centro del siguiente tubo, y así sucesivamente. Esta partícula completará un circuito alrededor de todo el reactor sin salir del centro. Consideremos ahora otra partícula que viaja paralela a la primera, pero inicialmente ubicada cerca de la pared interior del tubo. En este caso, entrará en el borde exterior del semitoro y comenzará a descender. Sale de esa sección y entra en la segunda sección recta, todavía en el borde exterior de ese tubo. Sin embargo, debido a que los tubos están cruzados, cuando llega al segundo semitoro ingresa por el borde interior . A medida que recorre esta sección, vuelve a subir. [41]
Este efecto reduciría una de las causas principales de la deriva en la máquina, pero también había otras que considerar. Aunque los iones y los electrones en el plasma rodearían las líneas magnéticas, lo harían en direcciones opuestas y a velocidades de rotación muy altas. Esto conduce a la posibilidad de colisiones entre partículas que giran alrededor de diferentes líneas de fuerza mientras circulan por el reactor, lo que por razones puramente geométricas hace que el combustible se desplace lentamente hacia afuera. Este proceso finalmente hace que el combustible colisione con la estructura o provoque una gran separación de carga entre los iones y los electrones. Spitzer introdujo el concepto de desviador , un imán colocado alrededor del tubo que extraía la capa más externa del plasma. Esto eliminaría los iones antes de que se alejaran demasiado y golpearan las paredes. También eliminaría cualquier elemento más pesado del plasma. [42]
Utilizando cálculos clásicos, la tasa de difusión a través de colisiones era lo suficientemente baja como para ser mucho menor que la deriva debida a campos desiguales en un toroide normal. Pero estudios anteriores de plasmas confinados magnéticamente en 1949 demostraron pérdidas mucho mayores y se conocieron como difusión de Bohm . Spitzer dedicó un esfuerzo considerable a considerar esta cuestión y concluyó que la tasa anómala observada por Bohm se debía a la inestabilidad en el plasma, que creía que podía abordarse. [43]
Una de las principales preocupaciones del concepto original de stellarator es que los campos magnéticos del sistema sólo confinarán adecuadamente una partícula de una masa determinada que viaje a una velocidad determinada. Las partículas que viajan más rápido o más lento no circularán de la manera deseada. Las partículas con velocidades muy bajas (correspondientes a bajas temperaturas) no quedan confinadas y pueden desplazarse hacia las paredes del tubo. Aquellos con demasiada energía pueden golpear las paredes exteriores de las secciones curvas. Para abordar estas preocupaciones, Spitzer introdujo el concepto de un desviador que se conectaría a una de las secciones rectas. Se trataba esencialmente de un espectrómetro de masas que eliminaría partículas que se movían demasiado rápido o demasiado lento para un confinamiento adecuado. [42]
La limitación física de que las dos secciones rectas no pueden cruzarse significa que la transformación rotacional dentro del bucle no es de 180 grados perfectos, sino que suele estar más cerca de 135 grados. Esto llevó a diseños alternativos en un esfuerzo por acercar el ángulo a 180. Se incorporó un primer intento al Stellarator B-2, que colocó ambas secciones curvas planas en relación con el suelo, pero a diferentes alturas. A los tramos anteriormente rectos se les insertaron curvas adicionales, dos tramos de aproximadamente 45 grados, por lo que ahora formaban formas de S extendidas. Esto les permitió rodearse entre sí siendo perfectamente simétricos en términos de ángulos.
En los Stellarator B-64 y B-65 se introdujo una mejor solución a la necesidad de rotar las partículas. Estos eliminaron el cruce y aplanaron el dispositivo hasta convertirlo en un óvalo o, como ellos lo llamaban, una pista de carreras. La rotación de las partículas se introdujo colocando un nuevo conjunto de bobinas magnéticas en el semitoro de cada extremo, los devanados en sacacorchos . El campo de estas bobinas se mezcla con los campos de confinamiento originales para producir un campo mixto que hace girar las líneas de fuerza 180 grados. Esto simplificó mucho el diseño mecánico del reactor, pero en la práctica se descubrió que era muy difícil producir el campo mixto de forma perfectamente simétrica.
Los diseños modernos de estelaradores generalmente utilizan una serie más compleja de imanes para producir un campo de forma única. Generalmente parece una cinta retorcida. Las diferencias entre los diseños generalmente se reducen a cómo se organizan los imanes para producir el campo y a la disposición exacta del campo resultante. Se han diseñado una amplia variedad de diseños y algunos de ellos se han probado.
A diferencia del z-pinch o tokamak, el stellarator no tiene corriente eléctrica inducida dentro del plasma; a nivel macroscópico, el plasma es neutro e inmóvil, a pesar de que las partículas individuales que contiene circulan rápidamente. En las máquinas de pellizco, la corriente misma es uno de los métodos principales para calentar el plasma. En el Stellarator no existe ninguna fuente de calor natural.
Los primeros diseños de Stellarator utilizaban un sistema similar a los de los dispositivos de pellizco para proporcionar el calentamiento inicial para llevar el gas a la temperatura del plasma. Este consistía en un único conjunto de devanados de un transformador , con el propio plasma formando el conjunto secundario. Cuando se energizan con un pulso de corriente, las partículas en la región se energizan rápidamente y comienzan a moverse. Esto introduce gas adicional en la región, ionizando rápidamente toda la masa de gas. Este concepto se denominó calentamiento óhmico porque dependía de la resistencia del gas para generar calor, de una manera similar a un calentador de resistencia convencional . A medida que aumenta la temperatura del gas, mejora la conductividad del plasma. Esto hace que el proceso de calentamiento óhmico sea cada vez menos efectivo y este sistema está limitado a temperaturas de aproximadamente 1 millón de Kelvin. [44]
Para calentar el plasma a temperaturas más altas, Spitzer propuso una segunda fuente de calor, el sistema de bombeo magnético . Consistía en una fuente de radiofrecuencia alimentada a través de una bobina extendida a lo largo de la cámara de vacío. La frecuencia se elige para que sea similar a la frecuencia natural de las partículas alrededor de las líneas de fuerza magnéticas, la frecuencia del ciclotrón . Esto hace que las partículas de la zona ganen energía, lo que hace que orbiten en un radio más amplio. Dado que otras partículas están orbitando sus propias líneas cercanas, a nivel macroscópico, este cambio de energía aparece como un aumento de presión. [42] Según la ley de los gases ideales , esto da como resultado un aumento de temperatura. Al igual que el calentamiento óhmico, este proceso también se vuelve menos eficiente a medida que aumenta la temperatura, pero aún es capaz de generar temperaturas muy altas. Cuando la frecuencia se ajusta deliberadamente cerca de la de la circulación de iones, esto se conoce como calentamiento por resonancia de iones-ciclotrón , [45] aunque este término no se usaba ampliamente en ese momento.
El trabajo sobre el entonces nuevo concepto de tokamak a principios de la década de 1970, en particular por Tihiro Ohkawa en General Atomics , sugirió que los toroides con relaciones de aspecto más pequeñas y plasmas no circulares tendrían un rendimiento mucho mejor. [46] La relación de aspecto es la comparación del radio del dispositivo en su conjunto con el radio de la sección transversal del tubo de vacío. Un reactor ideal no tendría ningún agujero en el centro, minimizando la relación de aspecto. El tokamak esférico moderno lleva esto a su límite práctico, reduciendo el orificio central a un solo poste de metal, alargando la sección transversal del tubo verticalmente, produciendo una forma general casi esférica y con una relación inferior a 2. El dispositivo MAST En el Reino Unido, entre los más potentes de estos diseños, tiene una proporción de 1,3. [47]
Los estelaradores generalmente requieren imanes complejos para generar el campo deseado. En los primeros ejemplos, esto solía ocurrir en forma de varios conjuntos diferentes de imanes apilados. Si bien los diseños modernos combinan estos elementos, los diseños resultantes a menudo requieren un espacio considerable a su alrededor. Esto limita el tamaño del radio interior a algo mucho más grande de lo que se ve en los tokamaks modernos, por lo que tienen relaciones de aspecto relativamente grandes. Por ejemplo, W7-X tiene una relación de aspecto de 10, [48] lo que da lugar a un tamaño general muy grande. Hay algunos diseños nuevos que tienen como objetivo reducir la relación de aspecto, pero aún no se han probado a partir de 2023 [actualizar]y la reducción aún no se acerca al nivel observado en los tokamaks modernos. [49]
En un diseño de producción, los imanes necesitarían estar protegidos de los neutrones de 14,1 MeV producidos por las reacciones de fusión. Esto normalmente se logra mediante el uso de una manta de reproducción , una capa de material que contiene grandes cantidades de litio . Para capturar la mayoría de los neutrones, la manta debe tener entre 1 y 1,5 metros de espesor, lo que aleja los imanes del plasma y, por lo tanto, requiere que sean más potentes que los de las máquinas experimentales donde recubren el exterior del vacío. cámara directamente. Esto normalmente se soluciona ampliando la máquina a tamaños extremadamente grandes, de modo que la separación de ~10 centímetros que se encuentra en máquinas más pequeñas se escala linealmente a aproximadamente 1 metro. Esto tiene el efecto de hacer que la máquina sea mucho más grande, creciendo hasta tamaños poco prácticos. [49] Los diseños con relaciones de aspecto más pequeñas, que escalan más rápidamente, abordarían este efecto hasta cierto punto, pero los diseños de tales sistemas, como ARIES-CS, son enormes, alrededor de 8 metros de radio con una relación de aspecto relativamente alta de aproximadamente 4,6. . [50]
Los complejos imanes del stellarator se combinan para producir la forma de campo deseada. Esto exige tolerancias de posicionamiento extremadamente estrictas, lo que aumenta los costes de construcción. Fue este problema el que llevó a la cancelación del Experimento Nacional Compact Stellarator de EE. UU ., o NCSX, que era un diseño experimental de bajo aspecto con una relación de 4,4. Para funcionar correctamente, la desviación máxima de colocación en toda la máquina fue de 1,5 milímetros (0,059 pulgadas). Cuando se montó, se descubrió que esto era imposible de lograr, incluso el hundimiento natural de los componentes con el tiempo superó el límite permitido. La construcción se canceló en 2008, lo que puso en duda el futuro del PPPL. [51]
Finalmente, se espera que los diseños de Stellarator filtren alrededor del 5% de las partículas alfa generadas , lo que aumenta la tensión en los componentes de un reactor que se enfrentan al plasma. [52]
Hay varias formas de calentar el plasma (lo que debe hacerse antes de que se produzca la ignición).
Existen varias configuraciones diferentes de stellarator, que incluyen:
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El objetivo de los dispositivos de confinamiento magnético es minimizar el transporte de energía a través de un campo magnético. Los dispositivos toroidales tienen relativamente éxito porque las propiedades magnéticas vistas por las partículas se promedian a medida que viajan alrededor del toroide. Sin embargo, la intensidad del campo visto por una partícula generalmente varía, de modo que algunas partículas quedarán atrapadas por el efecto espejo . Estas partículas no podrán promediar las propiedades magnéticas con tanta eficacia, lo que dará como resultado un mayor transporte de energía. En la mayoría de los estelaradores, estos cambios en la intensidad del campo son mayores que en los tokamaks, lo cual es una de las principales razones por las que el transporte en los estelaradores tiende a ser mayor que en los tokamaks.
El profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Wisconsin, David Anderson, y el asistente de investigación John Canik demostraron en 2007 que el experimento helicoidalmente simétrico (HSX) puede superar esta importante barrera en la investigación del plasma. El HSX es el primer estelarador que utiliza un campo magnético cuasisimétrico. El equipo diseñó y construyó el HSX con la predicción de que la cuasisimetría reduciría el transporte de energía. Como demostró la última investigación del equipo, eso es exactamente lo que hace. "Ésta es la primera demostración de que la cuasisimetría funciona y, de hecho, se puede medir la reducción del transporte que se consigue", afirma Canik. [56] [57]
El Wendelstein 7-X más nuevo en Alemania fue diseñado para estar cerca de la omnigeneidad (una propiedad del campo magnético tal que la deriva radial media es cero), que es una condición necesaria pero no suficiente para la cuasisimetría; [58] es decir, todos los campos magnéticos cuasisimétricos son omnigéneos, pero no todos los campos magnéticos omnigéneos son cuasisimétricos. Los experimentos en el estelarador Wendelstein 7-X han revelado una difusión anómala inducida por turbulencias. [59] El campo magnético optimizado de W7-X mostró un control efectivo de la corriente de arranque y un transporte de energía neoclásico reducido, lo que permitió condiciones de plasma de alta temperatura y valores de fusión récord, pero también tiempos de confinamiento de impurezas más largos durante las fases de turbulencia suprimida. Estos hallazgos resaltan el éxito de la optimización del campo magnético en estelaradores. [60] [61] [62]
En Wendelstein 7-X, el desviador de isla ha logrado estabilizar escenarios de plasma desprendido y reducir los flujos de calor en los objetivos del desviador. [63] [64] Esta topología tiene múltiples regiones de flujo en contracorriente adyacentes que pueden reducir la velocidad del flujo paralelo a las líneas del campo magnético, lo que lleva a una mitigación sustancial del flujo de calor. [65] Se ha demostrado la extracción de energía radiativa mediante la siembra de impurezas en configuraciones de desviador en isla, lo que da como resultado un funcionamiento estable del plasma y cargas térmicas reducidas del desviador. [66] Esto hace que el desviador de isla sea una solución prometedora para el control futuro de desprendimientos en escenarios de alto rendimiento y mejoras hacia un desviador de metal. [67] La estructura magnética del borde en estelaradores cuasi-omnígenos y helicoidalmente simétricos, como W7-X y HSX, tiene un impacto significativo en el combustible y el escape de partículas. Se ha demostrado que la cadena de islas magnéticas se puede utilizar para controlar el suministro de plasma desde la fuente de reciclaje y la inyección activa de gas. [68]
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