Un espejo magnético , también conocido como trampa magnética o, a veces, como pirotrón , es un tipo de dispositivo de fusión por confinamiento magnético utilizado en energía de fusión para atrapar plasma de alta temperatura mediante campos magnéticos . El espejo fue uno de los primeros enfoques importantes para la energía de fusión, junto con las máquinas stellarator y 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 acercan a los extremos experimentan una fuerza creciente que eventualmente hace que inviertan su dirección y regresen al área de confinamiento. [1] Este efecto de espejo ocurrirá sólo para partículas dentro de un rango limitado de velocidades y ángulos de aproximación, mientras que aquellas fuera de los límites escaparán, haciendo que los espejos sean inherentemente "con fugas".
Un análisis de los primeros dispositivos de fusión realizado por Edward Teller señaló que el concepto básico del espejo es inherentemente inestable. En 1960, los investigadores soviéticos introdujeron una nueva configuración "mínimo-B" para abordar este problema, que luego fue modificada por investigadores del Reino Unido a la "bobina de béisbol" y por los EE. UU. al diseño de "imán yin-yang". Cada una de estas introducciones condujo a mayores aumentos en el rendimiento, amortiguando diversas inestabilidades, pero requiriendo sistemas magnéticos cada vez más grandes. El concepto de espejo en tándem , desarrollado en Estados Unidos y Rusia aproximadamente al mismo tiempo, ofrecía una forma de fabricar máquinas de energía positiva sin necesidad de enormes imanes ni entrada de energía.
A finales de la década de 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 en ese momento, los experimentos en el Experimento Tandem Mirror más pequeño revelaron nuevos problemas. En una ronda de recortes presupuestarios, el MFTF quedó suspendido y finalmente desechado. Un concepto de reactor de fusión llamado Bumpy Torus hacía uso de una serie de espejos magnéticos unidos en un anillo. Fue investigado en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge hasta 1986. [2] Desde entonces, el enfoque del espejo ha experimentado menos desarrollo, a favor del tokamak , pero la investigación del espejo continúa hoy en países como Japón y Rusia. [3]
El concepto de confinamiento de plasma en espejos magnéticos fue propuesto de forma independiente 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 Estados Unidos. [5]
Con la formación del Proyecto Sherwood en 1951, Post comenzó el desarrollo de un pequeño dispositivo para probar la configuración del espejo. Consistía en un tubo lineal de pyrex con imanes alrededor del exterior. Los imanes estaban dispuestos en dos conjuntos, un conjunto de pequeños imanes 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 quedaba confinado durante tiempos mucho más prolongados cuando se encendían los espejos magnéticos del extremo. En su momento se refirió a este dispositivo como "pirotrón", pero este nombre no tuvo mucha aceptación.
En una ahora famosa charla sobre fusión en 1954, Edward Teller señaló que cualquier dispositivo con líneas de campo magnético convexas probablemente sería inestable, un problema hoy conocido como inestabilidad de flauta . [6] El espejo tiene precisamente esa configuración; el campo magnético era muy convexo en los extremos donde aumentaba la intensidad del campo. [a] Esto generó una gran preocupación por parte de Post, pero durante el año siguiente, su equipo no pudo encontrar señales de estos problemas. En octubre de 1955 llegó incluso 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 de Novosibirsk , Rusia. Inmediatamente vieron el problema sobre el que Teller había advertido. Esto generó una especie de misterio, ya que los equipos estadounidenses bajo el mando de Post seguían careciendo de evidencia de tales problemas. En 1960, Post y Marshall Rosenbluth publicaron un informe "que proporciona evidencia de la existencia de un plasma confinado en estabilidad... donde la teoría hidromagnética más simple predice la inestabilidad". [8]
En una reunión sobre física del plasma celebrada en Saltzberg en 1961, la delegación soviética presentó datos considerables que mostraban la inestabilidad, mientras que los equipos estadounidenses seguían sin mostrar ninguno. Una pregunta informal de Lev Artsimovich resolvió el asunto; Cuando preguntó si los gráficos que se producían con los instrumentos de las máquinas estadounidenses estaban ajustados a un conocido retraso en la salida de los detectores utilizados, de repente quedó claro que la aparente estabilidad de 1 ms era, de hecho, una estabilidad de 1 ms. retraso en las mediciones. [9] Artsimovich llegó incluso 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 había considerado sobre el terreno durante algún tiempo y se habían introducido varias soluciones posibles. Estos generalmente funcionaban cambiando la forma del campo magnético para que fuera cóncavo en todas partes, la llamada configuración "mínimo-B". [10]
En la misma reunión de 1961, Mikhail Ioffe presentó datos de un experimento de mínimo B. Su diseño utilizó una serie de seis barras portadoras de corriente adicionales en el interior de un espejo típico para doblar el plasma en la forma de una pajarita retorcida para producir una configuración B mínima. Demostraron que esto mejoraba enormemente los tiempos de confinamiento, del orden de milisegundos. Hoy en día este arreglo se conoce como "barras Ioffe". [10]
Un grupo del Centro Culham para la Energía de Fusión observó que la disposición de Ioffe podría mejorarse combinando los anillos y las barras originales en una nueva disposición única similar a la costura de una pelota de tenis. Este concepto se retomó 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, permitiendo un fácil acceso a los instrumentos de diagnóstico. El inconveniente era que el tamaño del imán en comparación con el volumen de plasma era inconveniente y requería imanes muy potentes. Posteriormente, Post introdujo 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 menor.
En Estados Unidos se estaban llevando a cabo cambios importantes en el programa de fusión. Robert Hirsch y su asistente Stephen O. Dean estaban entusiasmados por el enorme avance en el rendimiento observado en los tokamaks soviéticos , lo que sugería que la producción de energía era ahora una posibilidad real. Hirsch comenzó a cambiar el programa de uno que 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 demuestren un progreso real o serían cancelados. El toro lleno de baches , Levitron y Astron fueron abandonados, no sin luchar. [11]
Dean se reunió con el equipo de Livermore y dejó en claro que Astron probablemente sería cortado y que los espejos tenían que mejorarse o también cortarse, lo que habría dejado al laboratorio sin grandes proyectos de fusión. En diciembre de 1972, Dean se reunió con el equipo espejo y les hizo 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 retrocedió y se demostró 10 11 a finales de 1975. [11]
Aunque 2XII no estaba ni cerca del nivel requerido por las demandas de Dean, fue extremadamente exitoso al demostrar que el arreglo yin-yang era viable y suprimió las principales inestabilidades vistas en espejos anteriores. Pero a medida que los experimentos continuaron durante 1973, los resultados no mejoraron como se esperaba. Surgieron planes para forzar la actuación mediante la adición de una inyección de haz neutro para elevar rápidamente la temperatura y alcanzar las condiciones de Dean. El resultado fue 2XIIB, la B de "vigas". [12]
Mientras se instalaba el 2XIIB, en noviembre de 1974, Fowler recibió una carta de Ioffe que contenía una serie de fotografías de trazas de osciloscopios sin otra explicación. Fowler se dio cuenta de que demostraban que inyectar plasma caliente durante la carrera mejoraba el confinamiento. Esto parecía deberse a una inestabilidad largamente esperada pero hasta ahora invisible conocida como "cono de pérdida del ciclotrón a la deriva" o DCLC. [13] Las fotografías de Ioffe demostraron que se estaba viendo DCLC en los reactores soviéticos y que el plasma caliente parecía estabilizarlo. [14]
El reactor 2XIIB inició experimentos reales en 1975 e inmediatamente se observó un DCLC significativo. Lamentablemente, el efecto se hizo más fuerte a medida que mejoraron las condiciones de funcionamiento con una mejor aspiración y limpieza del interior. Fowler reconoció que la actuación era idéntica a la de las fotografías de Ioffe, y 2XIIB fue modificado para inyectar plasma caliente durante el centro de la carrera. Cuando se vieron los resultados, se describieron como "la luz del sol estaba atravesando las nubes y existía la posibilidad de que todo estuviera bien". [15]
En julio de 1975, el equipo de 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 llevó 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. Este se conoció como el Reactor de Prueba de Fusión Tokamak (TFTR), cuyo objetivo era funcionar con combustible deuterio - tritio y alcanzar Q =1, mientras que las máquinas futuras serían Q >10. [dieciséis]
Con los últimos resultados en 2XIIB, parecía que un diseño yin-yang más grande también mejoraría el rendimiento. Sin embargo, los cálculos mostraron que sólo alcanzaría Q = 0,03. Incluso las versiones más desarrolladas del concepto básico, con fugas en el límite inferior absoluto permitido por la teoría, sólo 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 quería continuar. Este problema se conoció como "mejora Q". [dieciséis]
En marzo de 1976, el equipo de Livermore decidió organizar un grupo de trabajo sobre el tema de la mejora Q en la reunión internacional de fusión de octubre de 1976 en Alemania. Durante el fin de semana del 4 de julio, a Fowler y Post se les ocurrió 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 a 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 para encontrar un investigador soviético que proponía exactamente la misma solución. [17]
Al regresar de la reunión, Dean se reunió con el equipo y decidió cerrar el sistema Baseball II y dirigir su financiación a un proyecto espejo tándem. Esto surgió como el Experimento del Espejo Tándem , o TMX. [18] El diseño final fue presentado y aprobado 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 TMX estaba funcionando como se esperaba. [19]
Incluso antes de que surgiera el concepto de espejo tándem, lo que en ese momento era el Departamento de Energía había acordado financiar la construcción de un espejo mucho más grande conocido como Mirror Fusion Test Facility (MFTF). En ese momento, el plan para MFTF era simplemente ser el imán yin-yang más grande que cualquiera 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 cualquiera podría imaginar cómo construir en una enorme configuración en tándem. El objetivo era cumplir con Q =5. Hasta finales de 1978, cuando los equipos comenzaron a considerar 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 la década de 1950 no se cumplía; Al menos en TMX, se descubrió que los electrones en cualquier línea magnética tenían una amplia variedad de velocidades, lo cual era completamente inesperado. Trabajos posteriores de John Clauser demostraron que esto se debía a la inyección de plasma caliente utilizada para suprimir el DCLC. Logan tomó estos resultados y los utilizó para idear una forma completamente nueva de confinar el plasma; con la cuidadosa disposición de estos electrones, se podría producir una región con una gran cantidad de electrones "fríos" que atraerían los iones cargados positivamente. Dave Baldwin demostró luego que esto podría mejorarse mediante haces neutrales. Fowler se refirió al resultado como una " barrera térmica ", ya que el combustible más caliente era repelido desde estas regiones. Parecía que podía mantener el confinamiento usando mucha menos energía que el concepto puro de TMX. [22]
Este resultado sugirió que MFTF no sólo alcanzaría un Q =5 arbitrario, sino que lo convertiría en un competidor real de los tokamaks, que prometían valores de Q mucho más altos . Fowler comenzó el diseño de otra versión de MFTF, todavía llamada MFTF-B, basada en el concepto de barrera térmica. El laboratorio decidió que debían comenzar la construcción, al carecer de evidencia experimental de que el concepto funcionara, para poder lanzar una máquina competitiva aproximadamente al mismo tiempo que TFTR. Mientras se construía esta enorme máquina, se modificaría TMX para probar el concepto. [23]
El 28 de enero de 1980, Fowler y su equipo presentaron sus resultados al DOE. Demostrando que 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 mientras actualizaban TMX para agregar las barreras térmicas en el TMX-U de $14 millones. La propuesta fue aceptada y comenzó la construcción de ambos sistemas, y TMX cerró en septiembre de 1980 para su conversión. [24]
TMX-U comenzó los experimentos en julio de 1982, cuando partes del MFTF del tamaño de un Boeing 747 se estaban instalando en el Edificio 431. [25] Sin embargo, cuando intentaron elevar la densidad del plasma a los valores que serían necesarios para el MFTF, Descubrieron que el plasma que 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 TMX-U fueran típicas, no había forma de que MFTF se acercara ni remotamente a sus objetivos Q. [26]
La construcción del MFTF, ya presupuestada, continuó y el sistema se declaró oficialmente completo el 21 de febrero de 1986, a 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 ejecutarlo. [27] Clarke lamentó más tarde que la decisión de cancelar el proyecto fue muy difícil: "Hubiera sido mucho más fácil si hubiera tenido una falla técnica que señalar". [26]
Estuvo sin utilizarse durante un año ante la posibilidad de que se proporcionara financiación operativa. Nunca lo fue. La máquina fue desechada en 1987. El DOE también recortó la financiación para la mayoría de los demás programas espejo. [27]
La investigación de espejos magnéticos continuó en Rusia, 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, incluido el mantenimiento de la distribución de velocidades no maxwelliana. Esto significó que en lugar de que muchos iones de alta energía chocaran entre sí, la energía iónica se extendía formando una curva de campana. Luego, los iones se termalizaron, dejando la mayor parte del material demasiado frío para fusionarse. Las colisiones también dispersaron tanto las partículas cargadas que no pudieron contenerse. Por último, las inestabilidades del espacio de velocidades contribuyeron al escape del plasma . [ cita necesaria ]
En septiembre de 2022, investigadores de la Universidad de Wisconsin-Madison incorporaron una nueva empresa derivada llamada Realta Fusion para desarrollar y comercializar reactores de espejos en tándem para suministrar calor de procesos industriales a plantas de energía más pequeñas. [28] Su objetivo declarado es un "camino de menor capital y menos complejo" 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 encuentran en la naturaleza. Los electrones y los iones de la magnetosfera , por ejemplo, rebotarán entre los campos más fuertes de los polos, dando lugar a los cinturones de radiación de Van Allen . [ cita necesaria ]
El efecto espejo se puede demostrar matemáticamente. Supongamos invariancia adiabática del momento magnético , es decir, que el momento magnético de la partícula y su 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 se puede expresar como:
En regiones sin campo eléctrico, si la energía total permanece constante, entonces la velocidad paralela al campo magnético debe disminuir. Si puede volverse negativo, entonces hay un movimiento que repele la partícula de los campos densos. [ cita necesaria ]
Los propios 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 un 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 es la velocidad de las partículas perpendicular al campo magnético y es la velocidad de las partículas paralela al campo magnético?
Este resultado fue sorprendente porque se esperaba que las partículas más pesadas y rápidas, o aquellas con menos carga eléctrica, fueran más difíciles de reflejar. También se esperaba que un campo magnético más pequeño reflejara menos partículas. Sin embargo, en estas circunstancias el giroradio también es mayor, de modo que la componente radial del campo magnético vista por la partícula también es mayor. Es cierto que el volumen mínimo y la energía magnética son mayores en 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 vuelve más fuerte, la velocidad aumenta proporcionalmente a la raíz cuadrada de B y la energía cinética es proporcional a B. Esto puede considerarse como un potencial efectivo que une la partícula. [ cita necesaria ]
Una botella magnética son dos espejos magnéticos colocados muy juntos. 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 rodeando 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 desde un extremo de la región al otro y viceversa. Se pueden utilizar botellas magnéticas 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 Instituto Courant , los estudios revelan la presencia de diferentes tipos de partículas dentro de una cúspide bicónica. El enfoque de cúspide más financiado es el reactor compacto de fusión , que contó con el apoyo de Lockheed-Martin a partir de 2007. [43]
