La difusión clásica es un concepto clave en la energía de fusión y otros campos en los que un plasma está confinado por un campo magnético dentro de un recipiente. Considera las colisiones entre iones en el plasma que hacen que las partículas se muevan por diferentes caminos y finalmente abandonen el volumen de confinamiento y golpeen los costados del recipiente.
La tasa de difusión se escala con 1/B 2 , donde B es la intensidad del campo magnético , lo que implica que los tiempos de confinamiento se pueden mejorar en gran medida con pequeños aumentos en la intensidad del campo. En la práctica, las tasas sugeridas por la difusión clásica no se han encontrado en máquinas del mundo real, donde una serie de inestabilidades del plasma previamente desconocidas hicieron que las partículas abandonaran el confinamiento a tasas más cercanas a B, no a B 2 , como se había visto en la difusión de Bohm .
El fracaso de la difusión clásica para predecir el comportamiento del plasma en el mundo real condujo a un período en la década de 1960 conocido como "la época de calmas ecuatoriales", en el que parecía que un reactor de fusión práctico sería imposible. Con el tiempo, se descubrieron y abordaron las inestabilidades, especialmente en el tokamak . Esto ha llevado a una comprensión más profunda del proceso de difusión, conocido como transporte neoclásico .
La difusión es un proceso de caminata aleatoria que se puede cuantificar mediante dos parámetros clave: Δx, el tamaño del paso, y Δt, el intervalo de tiempo en el que el caminante da un paso. Por lo tanto, el coeficiente de difusión se define como D≡(Δx) 2 /(Δt). El plasma es una mezcla similar a un gas de partículas de alta temperatura, los electrones e iones que normalmente se unirían para formar átomos neutros a temperaturas más bajas. La temperatura es una medida de la velocidad promedio de las partículas, por lo que las altas temperaturas implican altas velocidades y, por lo tanto, un plasma se expandirá rápidamente a velocidades que dificultarán su trabajo a menos que se aplique alguna forma de "confinamiento".
A las temperaturas que se dan en la fusión nuclear , ningún material contenedor puede contener un plasma. La solución más común a este problema es utilizar un campo magnético para proporcionar confinamiento, a veces conocido como "botella magnética". Cuando una partícula cargada se coloca en un campo magnético, orbitará las líneas de campo mientras continúa moviéndose a lo largo de esa línea con la velocidad inicial que tenía. Esto produce una trayectoria helicoidal a través del espacio. El radio de la trayectoria es una función de la fuerza del campo magnético. Dado que las velocidades axiales tendrán un rango de valores, a menudo basados en las estadísticas de Maxwell-Boltzmann , esto significa que las partículas en el plasma pasarán por otras a medida que las superen o sean superadas.
Si consideramos dos iones de este tipo que viajan a lo largo de trayectorias axiales paralelas, pueden colisionar siempre que sus órbitas se crucen. En la mayoría de las geometrías, esto significa que hay una diferencia significativa en las velocidades instantáneas cuando chocan: uno podría ir "hacia arriba" mientras que el otro iría "hacia abajo" en sus trayectorias helicoidales. Esto hace que las colisiones dispersen las partículas, lo que las convierte en recorridos aleatorios. Con el tiempo, este proceso hará que cualquier ion dado abandone el límite del campo y, por lo tanto, escape del "confinamiento".
En un campo magnético uniforme, una partícula experimenta un recorrido aleatorio a través de las líneas de campo con un tamaño de paso de radio de giro ρ≡v th /Ω, donde v th denota la velocidad térmica y Ω≡qB/m, la girofrecuencia. Los pasos se aleatorizan por las colisiones para perder la coherencia. Por lo tanto, el paso de tiempo, o el tiempo de decoherencia, es el inverso de la frecuencia de colisión ν c . La tasa de difusión está dada por ν c ρ 2 , con la ley de escala B −2 bastante favorable .
Cuando se empezó a estudiar el tema de la fusión controlada, se creía que los plasmas seguirían la tasa de difusión clásica, lo que sugería que sería relativamente fácil conseguir tiempos de confinamiento útiles. Sin embargo, en 1949, un equipo que estudiaba los arcos de plasma como método de separación de isótopos descubrió que el tiempo de difusión era mucho mayor que el previsto por el método clásico. David Bohm sugirió que se escalaba con B. Si esto es cierto, la difusión de Bohm significaría que los tiempos de confinamiento útiles requerirían campos imposiblemente grandes. Inicialmente, la difusión de Bohm se descartó como un efecto secundario del aparato experimental particular que se estaba utilizando y de los iones pesados que contenía, que causaban turbulencias dentro del plasma que conducían a una difusión más rápida. Parecía que las máquinas de fusión más grandes que utilizaban átomos mucho más ligeros no estarían sujetas a este problema.
Cuando se construyeron las primeras máquinas de fusión a pequeña escala a mediados de la década de 1950, parecían seguir la regla B −2 , por lo que había una gran confianza en que simplemente escalando las máquinas a tamaños más grandes con imanes más potentes se cumplirían los requisitos para la fusión práctica. De hecho, cuando se construyeron tales máquinas, como la ZETA británica y el estelarizador Modelo B estadounidense , demostraron tiempos de confinamiento mucho más acordes con la difusión de Bohm. Para examinar esto, el estelarizador Modelo B2 se hizo funcionar en una amplia variedad de intensidades de campo y se midieron los tiempos de difusión resultantes. Esto demostró una relación lineal, como predijo Bohm. A medida que se introdujeron más máquinas, este problema siguió existiendo, y en la década de 1960 todo el campo había sido invadido por "la calma de los maremotos".
Experimentos posteriores demostraron que el problema no era la difusión en sí , sino una serie de inestabilidades del plasma desconocidas hasta entonces, causadas por los campos magnéticos y eléctricos y el movimiento de las partículas. A medida que se superaban las condiciones críticas de funcionamiento, estos procesos se iniciaban y rápidamente expulsaban al plasma de su confinamiento. Con el tiempo, varios diseños nuevos atacaron estas inestabilidades y, a fines de la década de 1960, había varias máquinas que claramente superaban la regla de Bohm. Entre ellas se encontraba el tokamak soviético , que rápidamente se convirtió en el foco de la mayoría de las investigaciones hasta el día de hoy.
Cuando los tokamaks se hicieron más populares en el campo de la investigación, se hizo evidente que las estimaciones originales basadas en la fórmula clásica aún no se aplicaban exactamente. Esto se debía a la disposición toroidal del dispositivo: las partículas en el interior del reactor en forma de anillo experimentan campos magnéticos más altos que en el exterior, simplemente debido a la geometría, y esto introdujo una serie de nuevos efectos. La consideración de estos efectos condujo al concepto moderno de transporte neoclásico .
