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Configuración invertida en campo

Configuración de campo invertido: se induce una corriente eléctrica toroidal dentro de un plasma cilíndrico, generando un campo magnético poloidal, invertido con respecto a la dirección de un campo magnético aplicado externamente. El toroide compacto con simetría axial beta alta resultante es autoconfinado.

Una configuración de campo invertido ( FRC ) es un tipo de dispositivo de plasma estudiado como medio para producir fusión nuclear . Confina un plasma en líneas de campo magnético cerradas sin una penetración central. [1] [2] En un FRC, el plasma tiene la forma de un toro autoestable, similar a un anillo de humo .

Los FRC están estrechamente relacionados con otro dispositivo de fusión por confinamiento magnético autoestable , el spheromak . Ambos se consideran parte de la clase toroidal compacta de dispositivos de fusión. Los FRC normalmente tienen un plasma que es más alargado que los esferomas, y tienen la forma general de una salchicha ahuecada en lugar de un esferoma aproximadamente esférico.

Los FRC fueron un área importante de investigación en las décadas de 1960 y 1970, pero tuvieron problemas para convertirse en productos triples de fusión prácticos (combinaciones objetivo de densidad, temperatura y tiempo de confinamiento). El interés volvió en la década de 1990 y, a partir de 2019 , los FRC eran un área de investigación activa.

Historia

El FRC se observó por primera vez en laboratorios a finales de la década de 1950 durante experimentos de pellizco theta con un campo magnético de fondo invertido. [3] La idea original se atribuyó al científico e ingeniero griego Nicholas C. Christofilos, quien desarrolló el concepto de capas E para el reactor de fusión Astron . [4]

Los primeros estudios se realizaron en el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) de los Estados Unidos en la década de 1960. Se recopilaron datos considerables y se publicaron más de 600 artículos. [5] Casi toda la investigación se realizó durante el Proyecto Sherwood en el Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) de 1975 a 1990, [6] y durante 18 años en el Laboratorio de Física del Plasma de Redmond de la Universidad de Washington , [7] con la gran s experimento (LSX). [8]

La investigación posterior se realizó en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), [9] el Instituto de Tecnología de Fusión (FTI) de la Universidad de Wisconsin-Madison , [10] el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton , [11] y la Universidad de California, Irvine . [12]

Empresas privadas estudian ahora los FRC para la generación de electricidad, incluidas General Fusion , TAE Technologies y Helion Energy . [13]

El propulsor de fuerza Lorentz (ELF) sin electrodos desarrollado por MSNW fue un intento de diseñar un dispositivo de propulsión espacial. [14] ELF era candidato en el programa de propulsión eléctrica avanzada NextSTEP de la NASA , junto con el X-3 Nested-Channel Hall Thruster y VASIMR [15] antes de que MSNW se disolviera.

Aplicaciones

La aplicación principal es la generación de energía de fusión.

El FRC también se considera para la exploración del espacio profundo , no sólo como una posible fuente de energía nuclear, sino como medio para acelerar un propulsor a altos niveles de impulso específico (I sp ) para naves espaciales y cohetes de fusión propulsados ​​eléctricamente , con interés expresado por la NASA . [16] [17] [18] [19] [20]

Comparaciones

La diferencia entre un FRC y un Spheromak

La producción de energía de fusión confinando el plasma con campos magnéticos es más efectiva si las líneas de campo no penetran superficies sólidas sino que se cierran sobre sí mismas formando círculos o superficies toroidales. Los conceptos principales de confinamiento de tokamak y stellarator lo hacen en una cámara toroidal, lo que permite un gran control sobre la configuración magnética, pero requiere una construcción muy compleja. La configuración de campo invertido ofrece una alternativa en el sentido de que las líneas de campo están cerradas, lo que proporciona un buen confinamiento, pero la cámara es cilíndrica, lo que permite una construcción y un mantenimiento más sencillos y sencillos. [21]

Las configuraciones de campo invertido y los esferomas se conocen en conjunto como toroides compactos . Los esferomas y el FRC se diferencian en que un esferoma tiene un campo toroidal adicional. Este campo toroidal puede correr en la misma dirección o en la dirección opuesta que el plasma giratorio. [22] En el esferoma la fuerza del campo magnético toroidal es similar a la del campo poloidal . Por el contrario, el FRC tiene poco o ningún componente de campo toroidal y está confinado únicamente por un campo poloidal. La falta de un campo toroidal significa que el FRC no tiene helicidad magnética y que tiene una beta alta . La elevada beta hace que el FRC sea atractivo como reactor de fusión y muy adecuado para combustibles aneutrónicos debido al bajo campo magnético requerido. Los esferomas tienen β  ≈ 0,1, mientras que un FRC típico tiene β  ≈ 1. [23] [24]

Formación

Las dimensiones de un FRC, incluido el parámetro S.

En los experimentos modernos de FRC, la corriente de plasma que invierte el campo magnético se puede inducir de diversas formas.

Cuando se forma una configuración de campo invertido utilizando el método theta-pinch (o campo eléctrico inductivo), una bobina cilíndrica produce primero un campo magnético axial. Luego, el gas se ioniza previamente, lo que se "congela" en el campo polarizado desde un punto de vista magnetohidrodinámico y, finalmente, se invierte el campo axial, de ahí la "configuración de campo invertido". En los extremos se produce la reconexión del campo polarizado y el campo principal, produciendo líneas de campo cerradas. El campo principal se eleva aún más, comprimiendo y calentando el plasma y proporcionando un campo de vacío entre el plasma y la pared. [25]

Se sabe que los haces neutros impulsan la corriente en los Tokamaks [26] mediante la inyección directa de partículas cargadas. Los FRC también se pueden formar, sostener y calentar mediante la aplicación de haces neutros. [24] [27] En tales experimentos, como el anterior, una bobina cilíndrica produce un campo magnético axial uniforme y se introduce y ioniza gas, creando un plasma de fondo. Luego se inyectan partículas neutras en el plasma. Se ionizan y las partículas más pesadas y cargadas positivamente forman un anillo de corriente que invierte el campo magnético.

Los esferomas son configuraciones similares a FRC con un campo magnético toroidal finito. Los FRC se han formado mediante la fusión de esferomas de campo toroidal opuesto y cancelador. [28]

También se han utilizado campos magnéticos giratorios para impulsar la corriente. [29] En tales experimentos, como el anterior, el gas se ioniza y se produce un campo magnético axial. Un campo magnético giratorio se produce mediante bobinas magnéticas externas perpendiculares al eje de la máquina, y la dirección de este campo gira alrededor del eje. Cuando la frecuencia de rotación está entre las girofrecuencias de los iones y los electrones, los electrones en el plasma co-giran con el campo magnético (son "arrastrados"), produciendo corriente e invirtiendo el campo magnético. Más recientemente, los llamados campos magnéticos giratorios de paridad impar [30] [31] se han utilizado para preservar la topología cerrada del FRC. Se demostró analíticamente que en una magnitud umbral crítica muy alta del campo magnético giratorio de "paridad impar", las líneas del campo magnético de equilibrio axisimétrico pierden cierre y cambian fundamentalmente la topología del campo. [31]

Órbitas de partículas individuales

Trayectoria de partícula FRC en la que una partícula comienza con un movimiento de ciclotrón dentro del nulo, pasa a un movimiento de betatrón y termina como un movimiento de ciclotrón fuera del nulo. Este movimiento se produce en el plano medio de la máquina. Las bobinas están encima y debajo de la figura.

Los FRC contienen una característica importante y poco común: un "nulo magnético" o línea circular en la que el campo magnético es cero. Este es necesariamente el caso, ya que dentro del nulo el campo magnético apunta en una dirección y fuera del nulo el campo magnético apunta en la dirección opuesta. Las partículas alejadas de la traza nula cerraron órbitas de ciclotrón como en otras geometrías de fusión magnética. Las partículas que cruzan el nulo, sin embargo, no trazan órbitas de ciclotrón o circulares sino betatrones u órbitas en forma de ocho, [32] ya que la curvatura de la órbita cambia de dirección cuando cruza el nulo magnético.

Debido a que las órbitas de la partícula no son ciclotrón, los modelos de comportamiento del plasma basados ​​en el movimiento ciclotrón como la magnetohidrodinámica (MHD) no son aplicables en la región alrededor del nulo. El tamaño de esta región está relacionado con el parámetro s, [33] o la relación entre la distancia entre el nulo y la separatriz, y el giroradio del ion térmico. En valores altos, la mayoría de las partículas no cruzan el nulo y este efecto es insignificante. En bajas s, ~2, este efecto domina y se dice que el FRC es "cinético" en lugar de "MHD".

Estabilidad del plasma

Con un parámetro s bajo, la mayoría de los iones dentro de un FRC siguen grandes órbitas de betatrón (su giroradio promedio es aproximadamente la mitad del tamaño del plasma), que son típicas de la física de aceleradores más que de la física del plasma . Estos FRC son muy estables porque el plasma no está dominado por pequeñas partículas de giroradio habituales como otros plasmas de equilibrio termodinámico o no térmicos . Su comportamiento no está descrito por la magnetohidrodinámica clásica , por lo que no hay ondas de Alfvén y casi no hay inestabilidades MHD a pesar de su predicción teórica, [ cita necesaria ] y evita el típico "transporte anómalo", es decir, procesos en los que se produce una pérdida excesiva de partículas o energía. . [34] [35] [36]

A partir de 2000 , se están estudiando varias inestabilidades restantes:

experimentos

Propulsión de naves espaciales

Se han considerado dispositivos de configuración invertida de campo para la propulsión de naves espaciales. Al inclinar las paredes del dispositivo hacia afuera, el plasmoide puede acelerarse en dirección axial y salir del dispositivo, generando empuje.

Enlaces externos

Referencias

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