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 lados del recipiente.
La tasa de difusión escala con 1/B 2 , donde B es la intensidad del campo magnético , implica que los tiempos de confinamiento se pueden mejorar mucho con pequeños aumentos en la intensidad del campo. En la práctica, las velocidades sugeridas por la difusión clásica no se han encontrado en máquinas del mundo real, donde una serie de inestabilidades del plasma previamente desconocidas causaron que las partículas abandonaran su confinamiento a velocidades más cercanas a B, no a B 2 , como se había observado 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 crisis", en el que parecía imposible un reactor de fusión práctico. Con el tiempo, las inestabilidades fueron encontradas y solucionadas, 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 puede cuantificarse mediante dos parámetros clave: Δx, el tamaño del paso, y Δt, el intervalo de tiempo en el que el caminante da un paso. Por 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, 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 dificultan el trabajo a menos que se aplique alguna forma de "confinamiento".
A las temperaturas involucradas en la fusión nuclear , ningún recipiente material 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 del campo mientras continúa moviéndose a lo largo de esa línea con cualquier velocidad inicial que tuviera. Esto produce un camino helicoidal a través del espacio. El radio de la trayectoria es 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 cuando las alcancen o sean superadas.
Si se consideran dos de estos iones que viajan a lo largo de trayectorias axiales paralelas, pueden chocar 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 "subir" mientras que el otro "bajaría" en sus trayectorias helicoidales. Esto hace que las colisiones dispersen las partículas, convirtiéndolas en paseos aleatorios. Con el tiempo, este proceso hará que cualquier ion determinado abandone el límite del campo y, por tanto, escape del "confinamiento".
En un campo magnético uniforme, una partícula realiza un recorrido aleatorio a través de las líneas de campo con un tamaño de paso de giroradio ρ≡v th /Ω, donde v th denota la velocidad térmica y Ω≡qB/m, la girofrecuencia. Los pasos son aleatorios por las colisiones para perder la coherencia. Por tanto, el paso de tiempo, o tiempo de decoherencia, es el inverso de la frecuencia de colisión ν c . La velocidad de difusión viene dada por ν c ρ 2 , con la ley de escalamiento B −2 bastante favorable .
Cuando se estudió por primera vez el tema de la fusión controlada, se creía que los plasmas seguirían la velocidad de difusión clásica, lo que sugería que sería relativamente fácil lograr 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 de lo predicho por el método clásico. David Bohm sugirió que se escalara con B. Si esto es cierto, la difusión de Bohm significaría que tiempos de confinamiento útiles requerirían campos increíblemente 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, lo que provocaba 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 gran confianza en que simplemente escalar las máquinas a tamaños mayores con imanes más potentes cumpliría los requisitos prácticos. fusión. De hecho, cuando se construyeron máquinas de este tipo, como el ZETA británico y el Stellarator Modelo B estadounidense , demostraron tiempos de confinamiento mucho más acordes con la difusión de Bohm. Para examinar esto, se hizo funcionar el estelarador Modelo B2 con una amplia variedad de intensidades de campo y se midieron los tiempos de difusión resultantes. Esto demostró una relación lineal, como lo predijo Bohm. A medida que se introdujeron más máquinas, este problema continuó y, en la década de 1960, todo el campo se había visto afectado por "la crisis".
Experimentos adicionales demostraron que el problema no era la difusión per se , sino una serie de inestabilidades del plasma previamente desconocidas causadas por los campos magnéticos y eléctricos y el movimiento de las partículas. A medida que se superaran las condiciones operativas críticas, estos procesos comenzarían y rápidamente sacarían el plasma de su confinamiento. Con el tiempo, una serie de nuevos diseños atacaron estas inestabilidades y, a finales de la década de 1960, había varias máquinas que claramente estaban superando la regla de Bohm. Entre ellos se encontraba el tokamak soviético , que rápidamente se convirtió en el foco de la mayoría de las investigaciones hasta el día de hoy.
A medida que los tokamaks se hicieron cargo del campo de la investigación, quedó claro que las estimaciones originales basadas en la fórmula clásica todavía no se aplicaban exactamente. Esto se debió a la disposición toroidal del dispositivo; Las partículas en el interior del reactor en forma de anillo ven campos magnéticos más altos que en el exterior, simplemente debido a la geometría, y esto introdujo una serie de efectos nuevos. La consideración de estos efectos condujo al concepto moderno de transporte neoclásico .
