Un esferomak es una disposición de plasma formada en una forma toroidal similar a un anillo de humo . [1] El esferomak contiene grandes corrientes eléctricas internas y sus campos magnéticos asociados dispuestos de manera que las fuerzas magnetohidrodinámicas dentro del esferomak estén casi equilibradas, lo que da como resultado tiempos de confinamiento de larga duración ( microsegundos ) sin campos externos. Los esferomaks pertenecen a un tipo de configuración de plasma conocida como toroides compactos . Un esferomak se puede hacer y mantener mediante inyección de flujo magnético , lo que da lugar a un dynomak . [2]
La física de los esferomaks y de las colisiones entre ellos es similar a la de una variedad de eventos astrofísicos, como los bucles y filamentos coronales , los chorros relativistas y los plasmoides . Son particularmente útiles para estudiar eventos de reconexión magnética, cuando dos o más esferomaks colisionan. Los esferomaks son fáciles de generar utilizando una "pistola" que expulsa esferomaks del extremo de un electrodo hacia un área de retención, llamada conservador de flujo . Esto los ha hecho útiles en el entorno de laboratorio, y las pistolas de esferomaks son relativamente comunes en los laboratorios de astrofísica . A estos dispositivos a menudo, de manera confusa, también se los denomina simplemente "esferomaks"; 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 70 y 80, estos dispositivos pequeños y de menor energía tenían un rendimiento limitado y la mayoría de las investigaciones sobre esferomaks terminaron cuando la financiación de la fusión se redujo drásticamente a fines de los años 80. Sin embargo, a fines de los años 90, la investigación demostró que los esferomaks más calientes tienen mejores tiempos de confinamiento, y esto condujo a una segunda ola de máquinas de esferomaks. Los esferomaks 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 este último 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 sentido contrario a la dirección de giro del plasma. [4]
El spheromak ha atravesado 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 para comprender el esferomak 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] lo que le valió el Premio Nobel de Física en 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 un 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, señaló que se conserva, lo que implica que un campo sinuoso intentará mantener su sinuosidad incluso con fuerzas externas que se le apliquen. [6]
En 1959, Alfvén y un equipo que incluía a Lindberg, Mitlid y Jacobsen construyeron un dispositivo para crear bolas de plasma para su estudio. Este dispositivo era idéntico a los modernos dispositivos "inyectores coaxiales" (ver más abajo) y los experimentadores se sorprendieron al encontrar una serie de comportamientos interesantes. Entre ellos estaba la creación de anillos estables de plasma. A pesar de sus muchos éxitos, en 1964 los investigadores se volcaron a otras áreas y el concepto de inyector permaneció inactivo durante dos décadas. [7]
En 1951 comenzaron los esfuerzos para producir fusión controlada para la producción de energía. Estos experimentos generalmente usaban algún tipo de energía pulsada para entregar las grandes fuerzas magnéticas requeridas en los experimentos. Las magnitudes de corriente 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 del imán 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 del imán se cancelaran, la "condición libre de fuerza". Aunque no se sabía en ese momento, este es el mismo campo magnético que en un esferomak. [8]
En 1957, el reactor de fusión ZETA comenzó a funcionar en el Reino Unido. En ese momento, ZETA era, con diferencia, el mayor y más potente dispositivo de fusión del mundo. Funcionó hasta 1968, cuando ya había muchos dispositivos de su tamaño. Durante su funcionamiento, el equipo experimental se dio cuenta de que, en ocasiones, el plasma mantenía el confinamiento mucho después de que el experimento hubiera terminado, [9] aunque esto no se había estudiado en profundidad en aquel momento. Años más tarde, en 1974, John Bryan Taylor caracterizó estos plasmas autoestables, a los que llamó "quiescentes". Desarrolló el concepto de equilibrio del estado de Taylor , un estado del plasma que conserva la helicidad en su estado de energía más bajo posible. Esto condujo a un resurgimiento de la investigación sobre toroides compactos . [10]
Otro enfoque para la fusión fue el concepto de pinza theta , 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 pinza cónica, Bostick y Wells descubrieron que la máquina a veces creaba anillos estables de plasma. [11] A continuación, se desarrollaron una serie de máquinas para estudiar el fenómeno. Una medición de sonda magnética encontró el perfil de campo magnético toroidal de un esferomak; el campo toroidal era cero en el eje, aumentaba hasta un máximo en algún punto interior y luego se volvía 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 el theta-pinch había finalizado en la década de 1970.
El concepto clave en la fusión es el equilibrio energético de cualquier máquina que fusione un plasma caliente.
Potencia neta = Eficiencia * (Fusión – Pérdida de radiación – Pérdida de conducción)
Esto forma la base del criterio de Lawson . Para aumentar las tasas de fusión, la investigación se ha centrado en el "triple producto", una combinación de la temperatura del plasma, la densidad y el tiempo de confinamiento. [12] Los dispositivos de fusión generalmente se dividían en dos clases: máquinas pulsadas como el z-pinch que intentaban alcanzar altas densidades y temperaturas, pero solo durante microsegundos, mientras que los conceptos de estado estable como el estelarizador y el espejo magnético intentaban alcanzar el criterio de Lawson a través de tiempos de confinamiento más prolongados.
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 desencadenó una nueva ronda de desarrollos teóricos. En 1979, Rosenbluth y Bussac publicaron un artículo que describía generalizaciones del trabajo de Taylor, incluido un estado de energía mínima esférico que tiene un campo toroidal cero en la superficie límite. [13] Esto significa que no hay corriente impulsada externamente en el eje del dispositivo y, por lo tanto, no hay bobinas de campo toroidal externas. Parecía que este enfoque permitiría reactores de fusión de diseño mucho más simple que los enfoques predominantes de estelarador y tokamak .
Varios dispositivos experimentales surgieron casi de la noche a la mañana. Wells reconoció sus experimentos anteriores como ejemplos de estos plasmas. Se había trasladado a la Universidad de Miami y comenzó a reunir fondos para un dispositivo que combinaba dos de sus sistemas cónicos theta-pinch anteriores, que se convirtieron en Trisops . En Japón, la Universidad de Nihon construyó el PS-1, que usaba una combinación de pellizcos theta y zeta para producir esferomaks. Harold Furth estaba entusiasmado con la perspectiva de una solución menos costosa para el problema del confinamiento y comenzó el S1 en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton , que usaba calentamiento inductivo. Muchos de estos primeros experimentos fueron resumidos por Furth en 1983. [14]
Estos primeros experimentos de MFE culminaron en el Experimento de Torus Compacto (CTX) en Los Álamos . Este fue el dispositivo más grande y poderoso de esta era, generando esferomaks con corrientes superficiales de 1 MA, temperaturas de 100 eV y betas de electrones pico superiores al 20%. [15] CTX experimentó con métodos para reintroducir energía en el esferomak completamente formado con el fin de contrarrestar las pérdidas en la superficie. A pesar de estos éxitos tempranos, a fines de la década de 1980 el tokamak había superado los tiempos de confinamiento de los esferomaks en órdenes de magnitud. Por ejemplo, JET estaba logrando tiempos de confinamiento del orden de 1 segundo. [16]
El principal acontecimiento que puso fin a la mayor parte del trabajo con los esferomaks no fue de carácter técnico; la financiación de todo el programa de fusión estadounidense se redujo drásticamente en el año fiscal 1986 y se retiraron los fondos a muchos de los "enfoques alternativos", que incluían los esferomaks. Los experimentos existentes en los EE. UU. continuaron hasta que se agotó su financiación, mientras que programas más pequeños en otros lugares, en particular en Japón y la nueva máquina SPHEX en el Reino Unido, continuaron de 1979 a 1997 [ dudoso – discutir ] . CTX obtuvo financiación adicional del Departamento de Defensa y continuó con los experimentos hasta 1990; las últimas pruebas mejoraron las temperaturas a 400 eV, [17] y los tiempos de confinamiento en el orden de los 3 ms. [18]
A principios de la década de 1990, el trabajo con esferomaks fue ampliamente utilizado por la comunidad astrofísica para explicar diversos eventos y se lo estudió como un complemento a los dispositivos MFE existentes.
DM Rust y A. Kumar fueron particularmente activos en el uso de la helicidad y relajación magnética para estudiar las prominencias solares. [19] Bellan y Hansen llevaron a cabo un trabajo similar en Caltech , [20] y en el proyecto Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) en Swarthmore College .
Durante este período se continuó con algunos trabajos de MFE, casi todos ellos utilizando esferomaks como dispositivos accesorios para otros reactores. Tanto Caltech como INRS-EMT en Canadá utilizaron esferomaks acelerados como una forma de reabastecer tokamaks. [21] Otros estudiaron el uso de esferomaks para inyectar helicidad en tokamaks, lo que finalmente condujo al dispositivo de toro esférico inyectado con helicidad (HIST) y conceptos similares para varios dispositivos existentes. [22]
Hammer, Hartman et al. demostraron que los esferomaks podían acelerarse a velocidades extremadamente altas utilizando un cañón de riel , lo que dio lugar a varias propuestas de uso. Entre ellas estaba el uso de dichos plasmas como "balas" para disparar a las ojivas entrantes con la esperanza de que las corrientes eléctricas asociadas perturbaran su electrónica. Esto dio lugar a experimentos en el sistema estelar Shiva , aunque estos se cancelaron a mediados de la década de 1990. [23] [24]
Otros usos propuestos incluyeron disparar esferomaks a objetivos metálicos para generar destellos intensos de rayos X como fuente de retroiluminación para otros experimentos. [ 21] A fines 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 esferomak 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 las temperaturas más altas en un área de confinamiento dada 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 spheromak mejoraba el confinamiento con el aumento de temperatura, esto sugería un nuevo camino hacia un reactor spheromak de nivel de ignición. [25] [26]
La promesa era tan grande que varios nuevos experimentos de MFE comenzaron a estudiar estos temas. Entre ellos, destaca el Experimento de Física de Spheromak Sustained (SSPX) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , que estudió los problemas de generar esferomaks de larga duración mediante la inyección electrostática de helicidad adicional. [27] También es de destacar el experimento de toro con inyección de helicidad inductiva constante (HIT-SI) en la Universidad de Washington dirigido por el profesor Thomas Jarboe. [28] El éxito de sostener esferomaks con evidencia de confinamiento de presión [29] en este experimento motivó la creación de un nuevo concepto de reactor de fusión basado en esferomaks llamado Dynomak que se proyecta que sea competitivo en costos con las fuentes de energía convencionales. [30]
Los vórtices de plasma sin 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 requerida ]
Los vórtices libres de fuerza siguen las siguientes ecuaciones.
La primera ecuación describe un fluido sin 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 de plasma, la fuerza de Lorentz y la fuerza de Magnus , juegan papeles equivalentes. es la densidad de masa. [ cita requerida ]
Las superficies de flujo magnético de Spheromak son toroidales. La corriente es totalmente toroidal en el núcleo y totalmente poloidal en la superficie. Esto [ aclaración necesaria ] es similar a la configuración de campo de un tokamak , excepto que las bobinas que producen el campo son más simples y no penetran el toro de plasma. [ cita requerida ]
Los esferomaks están sujetos a fuerzas externas, en particular al gradiente térmico entre el plasma caliente y sus alrededores más fríos. Generalmente, esto conduce a una pérdida de energía en la superficie exterior del esferomak a través de la radiación del cuerpo negro , lo que genera un gradiente térmico en el propio esferomak. La corriente eléctrica viaja más lentamente en las secciones más frías, lo que finalmente conduce a una redistribución de la energía en el interior, y la turbulencia finalmente destruye el esferomak. [ cita requerida ]
Los esferomaks se forman naturalmente en una variedad de condiciones, lo que permite generarlos de varias maneras. [31]
El dispositivo moderno más común es la pistola o inyector Marshall. [17] El dispositivo consta de dos cilindros cerrados anidados. El cilindro interior es más corto, dejando un espacio vacío en la parte inferior. [32] Un electroimán dentro del cilindro interior establece un campo inicial. El campo es similar al de un imán de barra , que corre verticalmente por el centro del cilindro interior y sube por el exterior del aparato. El imán está colocado de modo que el área donde el campo pasa del centro al 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 la zona entre los cilindros. Una gran carga eléctrica suministrada por un banco de condensadores aplicado 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 fuera del cilindro interior, hacia el área vacía. Después de un corto período, el plasma se estabiliza en un esferomak. [33]
Otros dispositivos comunes incluyen el theta-pinch de extremo abierto o cónico.
Dado que el confinamiento magnético del spheromak se genera por sí mismo, no se requieren bobinas magnéticas externas. Sin embargo, el spheromak 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 spheromak se acerca a la superficie conductora, se induce una corriente en él que, siguiendo la ley de Lenz , reacciona para empujar al spheromak de nuevo al centro de la cámara.
También es posible conseguir el mismo efecto con un único conductor que recorra el centro de la cámara, a través del "agujero" en el centro del esferomak. [34] Como las corrientes de este conductor se generan por sí mismas, 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 la corriente aumenta, 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.
