Un esferomak es una disposición de plasma con forma toroidal similar a un anillo de humo . [1] El esferoma contiene grandes corrientes eléctricas internas y sus campos magnéticos asociados dispuestos de manera que las fuerzas magnetohidrodinámicas dentro del esferoma estén casi equilibradas, lo que resulta en tiempos de confinamiento de larga duración ( microsegundos ) sin campos externos. Los esferomas pertenecen a un tipo de configuración de plasma denominado toroides compactos . Se puede fabricar y sostener un esferoma mediante inyección de flujo magnético , lo que da lugar a un dinomak . [2]
La física del esferoma y de las colisiones entre esferomas es similar a una variedad de eventos astrofísicos, como bucles y filamentos coronales , chorros relativistas y plasmoides . Son particularmente útiles para estudiar eventos de reconexión magnética, cuando dos o más esferomas chocan. Los esferomas son fáciles de generar usando una "pistola" que los expulsa del extremo de un electrodo a un área de retención, llamada conservador de flujo . Esto los ha hecho útiles en el laboratorio, y las pistolas esferomacas son relativamente comunes en los laboratorios de astrofísica . Estos dispositivos a menudo, de manera confusa, también se denominan simplemente "esferomas"; el término tiene dos significados.
Los esferomaks se han propuesto como un concepto de energía de fusión magnética debido a sus largos tiempos de confinamiento , que estaban en el mismo orden que los mejores tokamaks cuando se estudiaron por primera vez. Aunque tuvieron algunos éxitos durante los años 1970 y 1980, estos dispositivos pequeños y de menor energía tenían un rendimiento limitado y la mayoría de las investigaciones sobre esferomas terminaron cuando la financiación de la fusión se redujo drásticamente a finales de los años 1980. Sin embargo, a finales de la década de 1990, la investigación demostró que los esferomas más calientes tienen mejores tiempos de confinamiento, y esto condujo a una segunda ola de máquinas de esferomas. Los esferomas también se han utilizado para inyectar plasma en un experimento de confinamiento magnético más grande, como un tokamak . [3]
La diferencia entre una configuración de campo invertido (FRC) y un esferomak es que un esferomak tiene un campo toroidal interno mientras que el plasma FRC no lo tiene. Este campo puede funcionar en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj en la dirección del plasma giratorio. [4]
El esferoma ha pasado por varios períodos distintos de investigación, con los mayores esfuerzos durante la década de 1980 y un resurgimiento en la década de 2000.
Un concepto clave en la comprensión del esferoma es la helicidad magnética , un valor que describe la "torsión" del campo magnético en un plasma.
El primer trabajo sobre estos conceptos fue desarrollado por Hannes Alfvén en 1943, [5] que le valió el Premio Nobel de Física de 1970 . Su desarrollo del concepto de ondas de Alfvén explicó la dinámica de larga duración del plasma a medida que las corrientes eléctricas que viajaban dentro de ellos producían campos magnéticos que, de manera similar a una dinamo , daban lugar a nuevas corrientes. En 1950, Lundquist estudió experimentalmente las ondas de Alfvén en mercurio e introdujo el número de Lundquist característico , que describe la conductividad del plasma. En 1958, Lodewijk Woltjer , trabajando en plasmas astrofísicos, observó que se conserva, lo que implica que un campo sinuoso intentará mantener su torsión incluso cuando se le aplican fuerzas externas. [6]
A partir de 1959, Alfvén y un equipo formado por Lindberg, Mitlid y Jacobsen construyeron un dispositivo para crear bolas de plasma para su estudio. Este dispositivo era idéntico a los modernos dispositivos de "inyector coaxial" (ver más abajo) y los experimentadores se sorprendieron al encontrar una serie de comportamientos interesantes. Entre ellas estaba la creación de anillos estables de plasma. A pesar de sus muchos éxitos, en 1964 los investigadores se dirigieron a otras áreas y el concepto del inyector permaneció inactivo durante dos décadas. [7]
En 1951 comenzaron los esfuerzos por producir fusión controlada para la producción de energía. Estos experimentos generalmente utilizaron algún tipo de energía pulsada para generar las grandes fuerzas magnéticas requeridas en los experimentos. Las magnitudes actuales y las fuerzas resultantes no tenían precedentes. En 1957 Harold Furth , Levine y Waniek informaron sobre la dinámica de los imanes grandes, demostrando que el factor limitante en el rendimiento de los imanes era físico; Las tensiones en el imán superarían sus propios límites mecánicos. Propusieron enrollar estos imanes de tal manera que las fuerzas dentro de los devanados magnéticos se anularan, la "estación libre de fuerza". Aunque no se sabía en ese momento, se trata del mismo campo magnético que en un esferoma. [8]
En 1957 la máquina ZETA (reactor de fusión) entró en funcionamiento en el Reino Unido. ZETA era en aquel momento, con diferencia, el dispositivo de fusión más grande y potente del mundo. Funcionó hasta 1968, momento en el que muchos dispositivos coincidían con su tamaño. Durante su operación, el equipo experimental notó que en ocasiones el plasma mantenía su confinamiento mucho después de que aparentemente hubiera terminado el experimento, [9] aunque esto no se estudió en profundidad. Años más tarde, en 1974, John Bryan Taylor caracterizó estos plasmas autoestables, a los que llamó "quiescentes". Desarrolló el concepto de equilibrio de estados de Taylor , un estado de plasma que conserva la helicidad en su estado de energía más bajo posible. Esto llevó a un renacimiento de la investigación sobre toroides compactos . [10]
Otro enfoque de la fusión fue el concepto theta pinch , que era similar al z-pinch utilizado en ZETA en teoría, pero utilizaba una disposición diferente de corrientes y campos. Mientras trabajaban en una máquina de este tipo a principios de la década de 1960, una diseñada con un área de pellizco cónica, Bostick y Wells descubrieron que la máquina a veces creaba anillos estables de plasma. [11] Siguió una serie de máquinas para estudiar el fenómeno. Una medición con sonda magnética encontró el perfil del campo magnético toroidal de un esferoma; el campo toroidal era cero en el eje, alcanzaba un máximo en algún punto interior y luego llegaba a cero en la pared. [10] Sin embargo, el theta-pinch no logró alcanzar las condiciones de alta energía necesarias para la fusión, y la mayor parte del trabajo sobre theta-pinch había terminado en la década de 1970.
El concepto clave en la fusión es el balance de energía de cualquier máquina que fusione un plasma caliente.
Potencia neta = Eficiencia * (Fusión – Pérdida por radiación – Pérdida por conducción)
Esto constituye la base del criterio de Lawson . Para aumentar las tasas de fusión, la investigación se ha centrado en el "triple producto", una combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento del plasma. [12] Los dispositivos de fusión generalmente se dividen en dos clases: máquinas pulsadas como el z-pinch que intentaban alcanzar altas densidades y temperaturas pero sólo durante microsegundos, mientras que conceptos de estado estacionario como el estelarador y el espejo magnético intentaban alcanzar el criterio de Lawson a través de períodos más largos. tiempos de confinamiento.
El trabajo de Taylor sugirió que los plasmas autoestables serían una forma sencilla de abordar el problema a lo largo del eje del tiempo de confinamiento. Esto provocó una nueva ronda de desarrollos teóricos. En 1979, Rosenbluth y Bussac publicaron un artículo que describía generalizaciones del trabajo de Taylor, incluido un estado esférico de energía mínima que tenía un campo toroidal cero en la superficie delimitadora. [13] Esto significa que no hay corriente impulsada externamente en el eje del dispositivo y, por lo tanto, no hay bobinas de campo toroidales externas. Parecía que este enfoque permitiría reactores de fusión de diseño mucho más simple que los enfoques predominantes de stellarator y tokamak .
Varios dispositivos experimentales surgieron casi de la noche a la mañana. Wells reconoció sus experimentos anteriores como ejemplos de estos plasmas. Se mudó a la Universidad de Miami y comenzó a recaudar fondos para un dispositivo que combinaba dos de sus anteriores sistemas cónicos theta-pinch, que se convirtió en Trisops . En Japón, la Universidad de Nihon construyó el PS-1, que utilizó una combinación de pellizcos theta y zeta para producir esferomas. Harold Furth estaba entusiasmado con la perspectiva de una solución menos costosa al problema del confinamiento y puso en marcha el S1 en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton , que utilizaba calentamiento inductivo. Muchos de estos primeros experimentos fueron resumidos por Furth en 1983. [14]
Estos primeros experimentos de MFE culminaron en el Experimento Compact Torus (CTX) en Los Alamos . Este fue el dispositivo más grande y poderoso de esta era, generando esferomas con corrientes superficiales de 1 MA, temperaturas de 100 eV y picos de electrones beta superiores al 20%. [15] CTX experimentó con métodos para reintroducir energía en el esferoma completamente formado para contrarrestar las pérdidas en la superficie. A pesar de estos primeros éxitos, a finales de la década de 1980 el tokamak había superado en órdenes de magnitud los tiempos de confinamiento de los esferomas. Por ejemplo, JET lograba tiempos de confinamiento del orden de 1 segundo. [dieciséis]
El acontecimiento más importante que puso fin a la mayor parte del trabajo con esferomas no fue técnico; La financiación para todo el programa de fusión estadounidense se redujo drásticamente en el año fiscal 1986, y muchos de los "enfoques alternativos", que incluían esferomas, fueron desfinanciados. Los experimentos existentes en Estados Unidos continuaron hasta que se les acabó la financiación, mientras que programas más pequeños en otros lugares, especialmente en Japón y la nueva máquina SPHEX en el Reino Unido, continuaron de 1979 a 1997 [ dudoso ] . CTX obtuvo financiación adicional del Departamento de Defensa y continuó con los experimentos hasta 1990; las últimas ejecuciones mejoraron las temperaturas a 400 eV, [17] y los tiempos de confinamiento del orden de 3 ms. [18]
A principios de la década de 1990, la comunidad astrofísica utilizó ampliamente el trabajo del esferoma para explicar varios eventos y el esferoma se estudió como un complemento a los dispositivos MFE existentes.
DM Rust y A. Kumar fueron particularmente activos en el uso de la helicidad y la relajación magnéticas para estudiar las prominencias solares. [19] Bellan y Hansen llevaron a cabo un trabajo similar en Caltech , [ 20] y el proyecto Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) en Swarthmore College .
Algunos trabajos de MFE continuaron durante este período, y casi todos utilizaron esferomas como dispositivos accesorios para otros reactores. Caltech e INRS-EMT en Canadá utilizaron esferomas acelerados como forma de repostar tokamaks. [21] Otros estudiaron el uso de esferomas para inyectar helicidad en tokamaks, lo que finalmente condujo al dispositivo Helicity Injected Spherical Torus (HIST) y conceptos similares para varios dispositivos existentes. [22]
Martillo, Hartman et al. demostró que los esferomas podían acelerarse a velocidades extremadamente altas utilizando un cañón de riel , lo que llevó a varios usos propuestos. Entre ellas estaba el uso de plasmas como "balas" para disparar contra ojivas entrantes con la esperanza de que las corrientes eléctricas asociadas perturbaran sus componentes electrónicos. Esto llevó a experimentos en el sistema Shiva Star , aunque fueron cancelados a mediados de la década de 1990. [23] [24]
Otros usos propuestos incluyeron disparar esferomas a objetivos metálicos para generar intensos destellos de rayos X como fuente de retroiluminación para otros experimentos. [21] A finales de la década de 1990, los conceptos de esferomak se aplicaron al estudio de la física fundamental del plasma, en particular la reconexión magnética . [21] Se construyeron máquinas de doble esferoma en la Universidad de Tokio , Princeton (MRX) y Swarthmore College .
En 1994, T. Kenneth Fowler estaba resumiendo los resultados de los experimentos de CTX en la década de 1980 cuando notó que el tiempo de confinamiento era proporcional a la temperatura del plasma. [21] Esto fue inesperado; La ley de los gases ideales generalmente establece que temperaturas más altas en un área de confinamiento determinada conducen a una mayor densidad y presión. En dispositivos convencionales como el tokamak, este aumento de temperatura/presión aumenta la turbulencia, lo que reduce drásticamente el tiempo de confinamiento. Si el esferomak mejoraba el confinamiento con el aumento de la temperatura, esto sugería un nuevo camino hacia un reactor esferomak de nivel de ignición. [25] [26]
La promesa era tan grande que se iniciaron varios experimentos nuevos de MFE para estudiar estos temas. Entre ellos destaca el Experimento de Física Sostenida de Esferomas (SSPX) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , que estudió los problemas de generar esferomas de larga duración mediante inyección electrostática de helicidad adicional. [27] También es de destacar el experimento de toro inyectado con helicidad inductiva constante (HIT-SI) en la Universidad de Washington, dirigido por el profesor Thomas Jarboe. [28] El éxito de sostener esferomas con evidencia de confinamiento de presión [29] en este experimento motivó la creación de un nuevo concepto de reactor de fusión basado en esferomas llamado Dynomak que se prevé que sea competitivo en costos con las fuentes de energía convencionales. [30]
Los vórtices de plasma libres de fuerza tienen una helicidad magnética uniforme y, por lo tanto, son estables frente a muchas perturbaciones. Normalmente, la corriente decae más rápidamente en las regiones más frías hasta que el gradiente de helicidad es lo suficientemente grande como para permitir una redistribución turbulenta de la corriente. [ cita necesaria ]
Los vórtices libres de fuerza siguen las siguientes ecuaciones.
La primera ecuación describe un fluido libre de fuerzas de Lorentz : las fuerzas son cero en todas partes. Para un plasma de laboratorio, α es una constante y β es una función escalar de coordenadas espaciales.
Tenga en cuenta que, a diferencia de la mayoría de las estructuras plasmáticas, la fuerza de Lorentz y la fuerza de Magnus desempeñan funciones equivalentes. es la densidad de masa. [ cita necesaria ]
Las superficies de flujo magnético de Spheromak son toroidales. La corriente es totalmente toroidal en el núcleo y totalmente poloidal en la superficie. Esta [ aclaración necesaria ] es similar a la configuración de campo de un tokamak , excepto que las bobinas productoras de campo son más simples y no penetran el toro de plasma. [ cita necesaria ]
Los esferomas están sujetos a fuerzas externas, en particular el gradiente térmico entre el plasma caliente y su entorno más frío. Generalmente, esto conduce a una pérdida de energía en la superficie exterior del esferoma a través de la radiación del cuerpo negro , lo que lleva a un gradiente térmico en el propio esferoma. La corriente eléctrica viaja más lentamente en las secciones más frías, lo que eventualmente conduce a una redistribución de energía en el interior, y la turbulencia eventualmente destruye el esferoma. [ cita necesaria ]
Los esferomas se forman naturalmente bajo una variedad de condiciones, lo que permite generarlos de diversas maneras. [31]
El dispositivo moderno más común es la pistola o inyector Marshall. [17] El dispositivo consta de dos cilindros cerrados encajados. El cilindro interior es más corto, dejando un espacio vacío en la parte inferior. [32] Un electroimán dentro del cilindro interior crea un campo inicial. El campo es similar al de una barra magnética y corre verticalmente por el centro del cilindro interior y sube por el exterior del aparato. El imán se coloca de modo que el área donde el campo recorre desde el centro hacia el exterior, donde las líneas de campo son aproximadamente horizontales, esté alineada con la parte inferior del cilindro interior.
Se introduce una pequeña cantidad de gas en el área entre los cilindros. Una gran carga eléctrica suministrada por un banco de condensadores aplicada a través de los cilindros ioniza el gas. Las corrientes inducidas en el plasma resultante interactúan con el campo magnético original, generando una fuerza de Lorentz que empuja el plasma lejos del cilindro interior hacia el área vacía. Después de un corto período, el plasma se estabiliza formando un esferoma. [33]
Otros dispositivos comunes incluyen el pellizco theta cónico o abierto.
Dado que el confinamiento magnético del esferoma se autogenera, no se requieren bobinas magnéticas externas. Sin embargo, el esferoma experimenta la "perturbación de inclinación" que le permite girar dentro del área de confinamiento. Esto se puede solucionar con imanes externos, pero lo más frecuente es que el área de confinamiento esté envuelta en un conductor (normalmente de cobre). Cuando el borde del toro del esferoma se acerca a la superficie conductora, se induce una corriente en ella que, siguiendo la ley de Lenz , reacciona para empujar el esferoma de regreso al centro de la cámara.
También es posible obtener el mismo efecto con un solo conductor que recorre el centro de la cámara, a través del "agujero" en el centro del esferoma. [34] Como las corrientes de este conductor se autogeneran, añade poca complejidad al diseño. Sin embargo, la estabilidad se puede mejorar aún más haciendo pasar una corriente externa por el conductor central. A medida que el actual crece, se acerca a las condiciones de un tokamak tradicional, pero en un tamaño mucho más pequeño y en una forma más simple. Esta evolución dio lugar a una considerable investigación sobre el tokamak esférico durante la década de 1990.
