Un tokamak ( / ˈt oʊ k ə m æ k / ; ruso : токамáк ) es un dispositivo que utiliza un potente campo magnético para confinar plasma en forma de toro . [1] El tokamak es uno de varios tipos de dispositivos de confinamiento magnético que se están desarrollando para producir energía de fusión termonuclear controlada . En 2016 , era el principal candidato para un reactor de fusión práctico . [ 2] La palabra "tokamak" se deriva de un acrónimo ruso que significa " cámara roidal con aceites magnéticos " .[actualizar]
Los métodos para extraer energía de un tokamak incluyen la transferencia de calor , la conversión directa de energía y la conversión magnetohidrodinámica .
La propuesta de utilizar la fusión termonuclear controlada con fines industriales y un esquema específico que utiliza el aislamiento térmico del plasma de alta temperatura mediante un campo eléctrico fueron formulados por primera vez por el físico soviético Oleg Lavrentiev en un artículo de mediados de 1950. [3] En 1951, Andrei Sakharov e Igor Tamm propusieron modificar el esquema proponiendo una base teórica para un reactor termonuclear, donde el plasma tendría la forma de un toro y estaría sostenido por un campo magnético. Al mismo tiempo, científicos estadounidenses desconocidos propusieron la misma idea, pero "olvidada" hasta la década de 1970. [4]
El primer tokamak se construyó en 1954 [5] y durante mucho tiempo existió sólo en la URSS. En 1968 se alcanzó la temperatura del plasma electrónico de 1 keV en el tokamak T-3, construido en el IV Instituto Kurchatov de Energía Atómica bajo la dirección del académico LA Artsimovich, [6] [7] [8] . Los científicos británicos del laboratorio del Centro de Energía de Fusión de Culham (Nicol Peacock et al.) llegaron a la URSS con su equipo, [9] realizaron mediciones en el T-3 y confirmaron los resultados, [10] [11] que habían obtenido originalmente visto con gran escepticismo. Este desarrollo impulsó un auge mundial del tokamak. Se había demostrado que un equilibrio estable del plasma requiere líneas de campo magnético que enrollen alrededor del toro en forma de hélice . Dispositivos como z-pinch y stellarator habían intentado esto, pero demostraron serias inestabilidades. Fue el desarrollo del concepto ahora conocido como factor de seguridad (etiquetado q en notación matemática) lo que guió el desarrollo del tokamak; Al disponer el reactor de modo que este factor crítico q fuera siempre mayor que 1, los tokamaks suprimieron en gran medida las inestabilidades que plagaban los diseños anteriores.
A mediados de la década de 1960, los diseños de tokamak comenzaron a mostrar un rendimiento muy mejorado. Los resultados iniciales se publicaron en 1965, pero fueron ignorados; Lyman Spitzer los descartó de plano después de notar problemas potenciales en su sistema para medir temperaturas. En 1968 se publicó un segundo conjunto de resultados, esta vez afirmando un rendimiento muy superior al de cualquier otra máquina. Cuando estos también fueron recibidos con escepticismo, los soviéticos invitaron a una delegación del Reino Unido a realizar sus propias mediciones. Estos confirmaron los resultados soviéticos y su publicación en 1969 provocó una estampida en la construcción de tokamak.
A mediados de la década de 1970, se utilizaban decenas de tokamaks en todo el mundo. A finales de los años 1970, estas máquinas habían alcanzado todas las condiciones necesarias para una fusión práctica, aunque no al mismo tiempo ni en un solo reactor. Con el objetivo de alcanzar el punto de equilibrio (un factor de ganancia de energía de fusión igual a 1) ahora a la vista, se diseñó una nueva serie de máquinas que funcionarían con un combustible de fusión de deuterio y tritio . Estas máquinas, en particular el Joint European Torus (JET) y el Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), tenían el objetivo explícito de alcanzar el punto de equilibrio.
En cambio, estas máquinas demostraron nuevos problemas que limitaron su rendimiento. Resolverlos requeriría una máquina mucho más grande y costosa, más allá de las capacidades de cualquier país. Después de un acuerdo inicial entre Ronald Reagan y Mikhail Gorbachev en noviembre de 1985, surgió el esfuerzo del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER) y sigue siendo el principal esfuerzo internacional para desarrollar energía de fusión práctica. Muchos diseños más pequeños y derivados como el tokamak esférico se siguen utilizando para investigar parámetros de rendimiento y otras cuestiones. A partir de 2024 [actualizar], JET sigue teniendo el récord de producción de fusión, con 69 MJ de producción de energía durante un período de 5 segundos. [12]
Actualmente, [ ¿cuándo? ] el tokamak se considera el dispositivo más prometedor para la implementación de la fusión termonuclear controlada. [13]
La palabra tokamak es una transliteración de la palabra rusa токамак , un acrónimo de:
o
El término "tokamak" fue acuñado en 1957 [15] por Igor Golovin , alumno del académico Igor Kurchatov . Originalmente sonaba como "tokamag" ("токамаг"), un acrónimo de las palabras « to roidal cha mber magnetic» (« то роидальная ка мера маг нитная»), pero Natan Yavlinsky , el autor del primer sistema toroidal, propuso reemplazarlo. "-mag" con "-mak" para eufonía. [16] Más tarde, este nombre fue tomado prestado por muchos idiomas.
En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en lograr la fusión en la Tierra, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio a una lámina metálica que contenía deuterio u otros átomos. [17] Esto les permitió medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión y determinó que la reacción deuterio-deuterio se produjo con una energía más baja que otras reacciones, alcanzando un máximo de aproximadamente 100.000 electronvoltios (100 keV). [18] [un]
La fusión basada en aceleradores no es práctica porque la sección transversal del reactor es pequeña; la mayoría de las partículas en el acelerador se dispersarán del combustible, no se fusionarán con él. Estas dispersiones hacen que las partículas pierdan energía hasta el punto de que ya no pueden fusionarse. La energía puesta en estas partículas se pierde, y es fácil demostrar que es mucha más energía de la que pueden liberar las reacciones de fusión resultantes. [20]
Para mantener la fusión y producir una producción neta de energía, la mayor parte del combustible debe elevarse a altas temperaturas para que sus átomos colisionen constantemente a alta velocidad; esto da origen al nombre de termonuclear debido a las altas temperaturas necesarias para producirlo. En 1944, Enrico Fermi calculó que la reacción sería autosostenida a unos 50.000.000 K; a esa temperatura, la velocidad a la que las reacciones desprenden energía es lo suficientemente alta como para calentar el combustible circundante lo suficientemente rápido como para mantener la temperatura contra pérdidas al medio ambiente, continuando la reacción. [20]
Durante el Proyecto Manhattan se creó la primera forma práctica de alcanzar estas temperaturas, utilizando una bomba atómica . En 1944, Fermi dio una charla sobre la física de la fusión en el contexto de una entonces hipotética bomba de hidrógeno . Sin embargo, ya se había pensado en un dispositivo de fusión controlada , y James L. Tuck y Stanislaw Ulam lo habían intentado utilizando cargas moldeadas que impulsaban una lámina de metal infundida con deuterio, aunque sin éxito. [21]
Los primeros intentos de construir una máquina de fusión práctica tuvieron lugar en el Reino Unido , donde George Paget Thomson había seleccionado el efecto pellizco como una técnica prometedora en 1945. Después de varios intentos fallidos de conseguir financiación, se rindió y pidió a dos estudiantes de posgrado, Stanley (Stan) W. Cousins y Alan Alfred Ware (1924-2010 [22] ), para construir un dispositivo a partir de equipos de radar sobrantes . Este fue operado con éxito en 1948, pero no mostró evidencia clara de fusión y no logró ganar el interés del Establecimiento de Investigación de Energía Atómica . [23]
En 1950, Oleg Lavrentiev , entonces sargento del Ejército Rojo destinado en Sajalín , escribió una carta al Comité Central del Partido Comunista de la Unión Soviética . La carta esbozaba la idea de utilizar una bomba atómica para encender un combustible de fusión y luego describía un sistema que utilizaba campos electrostáticos para contener plasma caliente en estado estable para la producción de energía. [24] [25] [b]
La carta fue enviada a Andrei Sajarov para que comentara. Sajarov señaló que "el autor plantea un problema muy importante y no necesariamente desesperado", y encontró que su principal preocupación en el arreglo era que el plasma golpearía los cables de los electrodos, y que "las mallas anchas y una parte delgada que transporta corriente, que tendrá "Reflejar casi todos los núcleos incidentes de regreso al reactor. Con toda probabilidad, este requisito es incompatible con la resistencia mecánica del dispositivo". [24]
Se puede ver alguna indicación de la importancia dada a la carta de Lavrentiev en la velocidad con la que fue procesada; La carta fue recibida por el Comité Central el 29 de julio, Sajarov envió su informe el 18 de agosto. En octubre, Sajarov e Igor Tamm habían completado el primer estudio detallado de un reactor de fusión y habían pedido financiación para construirlo en enero. 1951. [26]
Cuando se calientan a temperaturas de fusión, los electrones de los átomos se disocian, dando como resultado un fluido de núcleos y electrones conocido como plasma . A diferencia de los átomos eléctricamente neutros, un plasma es eléctricamente conductor y, por lo tanto, puede ser manipulado mediante campos eléctricos o magnéticos. [27]
La preocupación de Sajarov por los electrodos le llevó a considerar el uso de confinamiento magnético en lugar de electrostático. En el caso de un campo magnético, las partículas girarán alrededor de las líneas de fuerza . [27] Como las partículas se mueven a alta velocidad, sus trayectorias resultantes parecen una hélice. Si se dispone un campo magnético de manera que las líneas de fuerza sean paralelas y cercanas entre sí, las partículas que orbitan alrededor de líneas adyacentes pueden colisionar y fusionarse. [28]
Un campo de este tipo se puede crear en un solenoide , un cilindro con imanes enrollados alrededor del exterior. Los campos combinados de los imanes crean un conjunto de líneas magnéticas paralelas que recorren todo el cilindro. Esta disposición evita que las partículas se muevan lateralmente hacia la pared del cilindro, pero no impide que se escapen por el extremo. La solución obvia a este problema es doblar el cilindro en forma de rosquilla o toro, de modo que las líneas formen una serie de anillos continuos. En esta disposición, las partículas giran sin cesar. [28]
Sajarov discutió el concepto con Igor Tamm , y a finales de octubre de 1950 los dos habían escrito una propuesta y se la enviaron a Igor Kurchatov , director del proyecto de la bomba atómica dentro de la URSS, y a su adjunto, Igor Golovin . [28] Sin embargo, esta propuesta inicial ignoró un problema fundamental; cuando se disponen a lo largo de un solenoide recto, los imanes externos están espaciados uniformemente, pero cuando se doblan formando un toro, están más juntos en el interior del anillo que en el exterior. Esto conduce a fuerzas desiguales que hacen que las partículas se alejen de sus líneas magnéticas. [29] [30]
Durante sus visitas al Laboratorio de Instrumentos de Medición de la Academia de Ciencias de la URSS (LIPAN), el centro de investigación nuclear soviético, Sajarov sugirió dos posibles soluciones a este problema. Una era suspender un anillo portador de corriente en el centro del toroide. La corriente en el anillo produciría un campo magnético que se mezclaría con el de los imanes del exterior. El campo resultante se retorcería formando una hélice, de modo que cualquier partícula determinada se encontraría repetidamente en el exterior y luego en el interior del toroide. Las derivas causadas por los campos desiguales están en direcciones opuestas en el interior y en el exterior, por lo que en el transcurso de múltiples órbitas alrededor del eje longitudinal del toro, las derivas opuestas se cancelarían. Alternativamente, sugirió usar un imán externo para inducir una corriente en el propio plasma, en lugar de un anillo de metal separado, que tendría el mismo efecto. [29]
En enero de 1951, Kurchatov organizó una reunión en LIPAN para considerar los conceptos de Sajarov. Encontraron un interés y apoyo generalizados, y en febrero se envió un informe sobre el tema a Lavrentiy Beria , quien supervisó los esfuerzos atómicos en la URSS. Durante un tiempo, no se escuchó nada. [29]
El 25 de marzo de 1951, el presidente argentino Juan Perón anunció que un ex científico alemán, Ronald Richter , había logrado producir fusión a escala de laboratorio como parte de lo que hoy se conoce como Proyecto Huemul . Los científicos de todo el mundo estaban entusiasmados con el anuncio, pero pronto concluyeron que no era cierto; Cálculos simples demostraron que su configuración experimental no podía producir suficiente energía para calentar el combustible de fusión a las temperaturas necesarias. [31]
Aunque desestimada por los investigadores nucleares, la amplia cobertura noticiosa significó que los políticos de repente fueran conscientes y receptivos a la investigación sobre la fusión. En el Reino Unido, Thomson recibió repentinamente una financiación considerable. Durante los meses siguientes estuvieron en marcha dos proyectos basados en el sistema pinch. [32] En Estados Unidos, Lyman Spitzer leyó la historia de Huemul, se dio cuenta de que era falsa y se dedicó a diseñar una máquina que funcionara. [33] En mayo recibió 50.000 dólares para comenzar la investigación sobre su concepto de stellarator . [34] Jim Tuck había regresado brevemente al Reino Unido y vio las máquinas pellizcadoras de Thomson. Cuando regresó a Los Álamos, también recibió 50.000 dólares directamente del presupuesto de Los Álamos. [35]
En la URSS ocurrieron hechos similares. A mediados de abril, Dmitri Efremov, del Instituto de Investigación Científica de Aparatos Electrofísicos, irrumpió en el estudio de Kurchatov con una revista que contenía una historia sobre el trabajo de Richter, exigiendo saber por qué fueron derrotados por los argentinos. Kurchatov contactó inmediatamente a Beria con una propuesta para establecer un laboratorio de investigación de fusión independiente con Lev Artsimovich como director. Sólo unos días después, el 5 de mayo, Joseph Stalin firmó la propuesta . [29]
En octubre, Sajarov y Tamm habían completado una consideración mucho más detallada de su propuesta original, solicitando un dispositivo con un radio mayor (del toro en su conjunto) de 12 metros (39 pies) y un radio menor (el interior del toroide). cilindro) de 2 metros (6 pies 7 pulgadas). La propuesta sugería que el sistema podría producir 100 gramos (3,5 onzas) de tritio al día o generar 10 kilogramos (22 libras) de U233 al día. [29]
A medida que se desarrolló más la idea, se comprendió que una corriente en el plasma podría crear un campo lo suficientemente fuerte como para confinar también el plasma, eliminando la necesidad de bobinas externas. [36] En este punto, los investigadores soviéticos habían reinventado el sistema de pellizco que se estaba desarrollando en el Reino Unido, [21] aunque habían llegado a este diseño desde un punto de partida muy diferente.
Una vez planteada la idea de utilizar el efecto pellizco para el confinamiento, se hizo evidente una solución mucho más sencilla. En lugar de un toroide grande, se podría simplemente inducir la corriente en un tubo lineal, lo que podría provocar que el plasma del interior colapsara formando un filamento. Esto tenía una gran ventaja; la corriente en el plasma lo calentaría mediante calentamiento resistivo normal , pero esto no calentaría el plasma a temperaturas de fusión. Sin embargo, a medida que el plasma colapsara, el proceso adiabático provocaría un aumento espectacular de la temperatura, más que suficiente para la fusión. Con este desarrollo, sólo Golovin y Natan Yavlinsky continuaron considerando la disposición toroidal más estática. [36]
El 4 de julio de 1952,
El grupo midió los neutrones liberados desde una máquina de pellizco lineal. Lev Artsimovich exigió que comprobaran todo antes de concluir que se había producido la fusión, y durante estas comprobaciones descubrieron que los neutrones no procedían de la fusión en absoluto. [36] Esta misma disposición lineal también les había ocurrido a investigadores en el Reino Unido y EE. UU., y sus máquinas mostraron el mismo comportamiento. Pero el gran secretismo que rodeaba el tipo de investigación hizo que ninguno de los grupos supiera que otros también estaban trabajando en ella, y mucho menos tenían el mismo problema. [37]
Después de mucho estudio, se descubrió que algunos de los neutrones liberados eran producidos por inestabilidades en el plasma. Había dos tipos comunes de inestabilidad, la salchicha que se veía principalmente en máquinas lineales y la torsión que era más común en las máquinas toroidales. [37] Grupos en los tres países comenzaron a estudiar la formación de estas inestabilidades y las posibles formas de abordarlas. [38] Martin David Kruskal y Martin Schwarzschild en Estados Unidos, y Shafranov en la URSS, hicieron importantes contribuciones en este campo . [39]
Una idea que surgió de estos estudios se conoció como el "pellizco estabilizado". Este concepto agregó bobinas adicionales al exterior de la cámara, lo que creó un campo magnético que estaría presente en el plasma antes de la descarga por pellizco. En la mayoría de los conceptos, el campo inducido externamente era relativamente débil y, debido a que un plasma es diamagnético , penetraba sólo las áreas exteriores del plasma. [37] Cuando se produjo la descarga por pellizco y el plasma se contrajo rápidamente, este campo se "congela" en el filamento resultante, creando un campo fuerte en sus capas externas. En Estados Unidos, esto se conocía como "darle columna vertebral al plasma". [40]
Sajarov revisó sus conceptos toroidales originales y llegó a una conclusión ligeramente diferente sobre cómo estabilizar el plasma. El diseño sería el mismo que el concepto de pellizco estabilizado, pero el papel de los dos campos se invertiría. En lugar de débiles campos magnéticos inducidos externamente que proporcionan estabilización y una fuerte corriente de pellizco responsable del confinamiento, en el nuevo diseño, el campo externo sería mucho más potente para proporcionar la mayor parte del confinamiento, mientras que la corriente sería mucho más pequeña y responsable del confinamiento. el efecto estabilizador. [36]
En 1955, cuando los enfoques lineales aún eran inestables, se construyó el primer dispositivo toroidal en la URSS. TMP era una máquina pellizcadora clásica, similar a los modelos del Reino Unido y Estados Unidos de la misma época. La cámara de vacío estaba hecha de cerámica y los espectros de las descargas mostraban sílice, lo que significa que el plasma no estaba perfectamente confinado por el campo magnético y no golpeaba las paredes de la cámara. [36] Le siguieron dos máquinas más pequeñas, que utilizaban carcasas de cobre. [41] Las carcasas conductoras estaban destinadas a ayudar a estabilizar el plasma, pero no tuvieron completamente éxito en ninguna de las máquinas que lo probaron. [42]
Con el progreso aparentemente estancado, en 1955, Kurchatov convocó una conferencia de investigadores soviéticos de toda la Unión con el objetivo final de abrir la investigación de la fusión dentro de la URSS. [43] En abril de 1956, Kurchatov viajó al Reino Unido como parte de una visita ampliamente publicitada de Nikita Khrushchev y Nikolai Bulganin . Se ofreció a dar una charla en el Atomic Energy Research Establishment, en la antigua RAF Harwell , donde sorprendió a los anfitriones al presentar una descripción histórica detallada de los esfuerzos de fusión soviéticos. [44] Se tomó el tiempo para observar, en particular, los neutrones observados en las primeras máquinas y advirtió que los neutrones no significaban fusión. [45]
Sin que Kurchatov lo supiera, la máquina de pellizco estabilizada británica ZETA se estaba construyendo en el otro extremo de la antigua pista. ZETA era, con diferencia, la máquina de fusión más grande y potente hasta la fecha. Con el apoyo de experimentos en diseños anteriores que habían sido modificados para incluir estabilización, ZETA pretendía producir niveles bajos de reacciones de fusión. Al parecer, esto fue un gran éxito, y en enero de 1958 anunciaron que se había logrado la fusión en ZETA basándose en la liberación de neutrones y mediciones de la temperatura del plasma. [46]
Vitaly Shafranov y Stanislav Braginskii examinaron las noticias e intentaron descubrir cómo funcionaban. Una posibilidad que consideraron fue el uso de campos débiles "congelados", pero lo rechazaron, creyendo que los campos no durarían lo suficiente. Luego concluyeron que ZETA era esencialmente idéntico a los dispositivos que habían estado estudiando, con fuertes campos externos. [44]
En ese momento, los investigadores soviéticos habían decidido construir una máquina toroidal más grande siguiendo las líneas sugeridas por Sajarov. En particular, su diseño consideró un punto importante que se encuentra en las obras de Kruskal y Shafranov; Si la trayectoria helicoidal de las partículas las hiciera circular alrededor de la circunferencia del plasma más rápidamente de lo que circulaban a lo largo del eje longitudinal del toro, la inestabilidad del retorcimiento se suprimiría fuertemente. [38]
(Para ser claros, la corriente eléctrica en las bobinas que se envuelven alrededor del toro produce un campo magnético toroidal dentro del toro; un campo magnético pulsado a través del agujero en el toro induce la corriente axial en el toro que tiene un campo magnético poloidal rodeándolo; puede haber También hay anillos de corriente encima y debajo del toro que crean un campo magnético poloidal adicional. Los campos magnéticos combinados forman una estructura magnética helicoidal dentro del toro.)
Hoy en día este concepto básico se conoce como factor de seguridad . La relación entre el número de veces que la partícula orbita el eje mayor en comparación con el eje menor se denota q , y el límite de Kruskal-Shafranov estableció que la torsión se suprimirá siempre que q > 1. Esta trayectoria está controlada por las fuerzas relativas del campo magnético inducido externamente en comparación con el campo creado por la corriente interna. Para que q > 1, los imanes externos deben ser mucho más potentes o, alternativamente, se debe reducir la corriente interna. [38]
Siguiendo este criterio se inició el diseño de un nuevo reactor, el T-1, que hoy se conoce como el primer tokamak real. [41] T-1 utilizó campos magnéticos externos más fuertes y una corriente reducida en comparación con las máquinas de pellizco estabilizadas como ZETA. El éxito del T-1 resultó en su reconocimiento como el primer tokamak en funcionamiento. [47] [48] [49] [50] Por su trabajo sobre "poderosas descargas impulsivas en un gas, para obtener temperaturas inusualmente altas necesarias para procesos termonucleares", Yavlinskii recibió el Premio Lenin y el Premio Stalin en 1958. Yavlinskii fue Ya estamos preparando el diseño de un modelo aún más grande, construido posteriormente como T-3. Tras el aparentemente exitoso anuncio de ZETA, el concepto de Yavlinskii fue visto muy favorablemente. [44] [51]
Los detalles de ZETA se hicieron públicos en una serie de artículos en Nature a finales de enero. Para sorpresa de Shafranov, el sistema utilizó el concepto de campo "congelado". [44] Se mantuvo escéptico, pero un equipo del Instituto Ioffe en St. Petersberg comenzó a planear construir una máquina similar conocida como Alpha. Sólo unos meses después, en mayo, el equipo ZETA emitió un comunicado afirmando que no habían logrado la fusión y que habían sido engañados por medidas erróneas de la temperatura del plasma. [52]
El T-1 comenzó a funcionar a finales de 1958. [53] [c] Demostró pérdidas de energía muy elevadas por radiación. Esto se debió a impurezas en el plasma debido al sistema de vacío que provocaba la desgasificación de los materiales del contenedor. Para explorar soluciones a este problema, se construyó otro pequeño dispositivo, el T-2. Se utilizó un revestimiento interno de metal corrugado que se horneó a 550 °C (1022 °F) para eliminar los gases atrapados. [53]
Como parte de la segunda reunión de Átomos para la Paz en Ginebra en septiembre de 1958, la delegación soviética publicó muchos documentos que cubrían su investigación sobre la fusión. Entre ellos se encontraba una serie de resultados iniciales en sus máquinas toroidales, que en ese momento no habían mostrado nada destacable. [54]
La "estrella" del espectáculo fue un modelo grande del stellarator de Spitzer, que inmediatamente llamó la atención de los soviéticos. En contraste con sus diseños, el stellarator produjo los caminos retorcidos requeridos en el plasma sin pasar corriente a través de él, usando una serie de bobinas externas (que producían campos magnéticos internos) que podían operar en estado estacionario en lugar de los pulsos del sistema de inducción. que produjo la corriente axial. Kurchatov comenzó a pedirle a Yavlinskii que cambiara su diseño T-3 por un estelarador, pero lo convencieron de que la corriente proporcionaba una segunda función útil en la calefacción, algo de lo que carecía el estelarador. [54]
Al momento del show, el stellarator había sufrido una larga serie de problemas menores que apenas estaban siendo solucionados. Resolverlos reveló que la velocidad de difusión del plasma era mucho más rápida de lo que predecía la teoría. Se observaron problemas similares en todos los diseños contemporáneos, por una razón u otra. El stellarator, varios conceptos de pellizco y las máquinas de espejo magnético tanto en EE.UU. como en la URSS demostraron problemas que limitaron sus tiempos de confinamiento. [53]
Desde los primeros estudios sobre fusión controlada, hubo un problema que acechaba en el fondo. Durante el Proyecto Manhattan, David Bohm había formado parte del equipo que trabajaba en la separación isotópica del uranio . En la posguerra continuó trabajando con plasmas en campos magnéticos. Usando la teoría básica, uno esperaría que el plasma se difundiera a través de las líneas de fuerza a una velocidad inversamente proporcional al cuadrado de la fuerza del campo, lo que significa que pequeños aumentos de fuerza mejorarían enormemente el confinamiento. Pero basándose en sus experimentos, Bohm desarrolló una fórmula empírica, ahora conocida como difusión de Bohm , que sugería que la velocidad era lineal con la fuerza magnética, no con su cuadrado. [55]
Si la fórmula de Bohm era correcta, no había esperanzas de poder construir un reactor de fusión basado en el confinamiento magnético. Para confinar el plasma a las temperaturas necesarias para la fusión, el campo magnético tendría que ser órdenes de magnitud mayor que cualquier imán conocido. Spitzer atribuyó la diferencia entre las velocidades de difusión de Bohm y la clásica a la turbulencia en el plasma, [56] y creía que los campos estables del estelarador no sufrirían este problema. Varios experimentos en ese momento sugirieron que la tasa de Bohm no se aplicaba y que la fórmula clásica era correcta. [55]
Pero a principios de la década de 1960, con todos los diseños perdiendo plasma a un ritmo prodigioso, el propio Spitzer concluyó que la escala de Bohm era una cualidad inherente de los plasmas y que el confinamiento magnético no funcionaría. [53] Todo el campo descendió a lo que se conoció como "la crisis", [57] un período de intenso pesimismo. [36]
A diferencia de los otros diseños, los tokamaks experimentales parecían estar progresando bien, tan bien que un problema teórico menor se convirtió ahora en una preocupación real. En presencia de la gravedad, hay un pequeño gradiente de presión en el plasma, que antes era lo suficientemente pequeño como para ignorarlo, pero que ahora se ha convertido en algo que hay que abordar. Esto llevó a la adición de otro conjunto de bobinas en 1962, que produjo un campo magnético vertical que compensó estos efectos. Fueron un éxito y, a mediados de la década de 1960, las máquinas comenzaron a mostrar signos de que estaban superando el límite de Bohm . [58]
En la Segunda Conferencia de la Agencia Internacional de Energía Atómica sobre fusión de 1965 en el recién inaugurado Centro Culham para la Energía de Fusión en el Reino Unido , Artsimovich informó que sus sistemas estaban superando el límite de Bohm en 10 veces. Spitzer, al revisar las presentaciones, sugirió que el límite de Bohm aún puede aplicarse; los resultados estaban dentro del rango de error experimental de los resultados observados en los estelaradores, y las mediciones de temperatura, basadas en los campos magnéticos, simplemente no eran confiables. [58]
La siguiente gran reunión internacional sobre fusión se celebró en agosto de 1968 en Novosibirsk . Para entonces se habían completado dos diseños de tokamak adicionales, el TM-2 en 1965 y el T-4 en 1968. Los resultados del T-3 habían seguido mejorando y resultados similares se obtenían de las primeras pruebas de los nuevos reactores. En la reunión, la delegación soviética anunció que el T-3 estaba produciendo temperaturas de electrones de 1000 eV (equivalentes a 10 millones de grados Celsius) y que el tiempo de confinamiento era al menos 50 veces el límite de Bohm. [59]
Estos resultados fueron al menos 10 veces mayores que los de cualquier otra máquina. De ser correctos, representaron un enorme salto para la comunidad de fusión. Spitzer se mostró escéptico y señaló que las mediciones de temperatura todavía se basaban en cálculos indirectos de las propiedades magnéticas del plasma. Muchos concluyeron que se debían a un efecto conocido como electrones desbocados , y que los soviéticos estaban midiendo sólo aquellos electrones extremadamente energéticos y no la temperatura general. Los soviéticos respondieron con varios argumentos sugiriendo que la temperatura que estaban midiendo era maxwelliana , y el debate se desató. [60]
A raíz de ZETA, los equipos del Reino Unido comenzaron a desarrollar nuevas herramientas de diagnóstico de plasma para proporcionar mediciones más precisas. Entre ellos estaba el uso de un láser para medir directamente la temperatura de los electrones en masa mediante dispersión de Thomson . Esta técnica era bien conocida y respetada en la comunidad de fusión; [61] Artsimovich lo había llamado públicamente "brillante". Artsimovich invitó a Bas Pease , el jefe de Culham, a utilizar sus dispositivos en los reactores soviéticos. En el apogeo de la Guerra Fría , en lo que todavía se considera una importante maniobra política por parte de Artsimovich, a los físicos británicos se les permitió visitar el Instituto Kurchatov, el corazón del esfuerzo soviético por la bomba nuclear. [62]
El equipo británico, apodado "Los Cinco de Culham", [63] llegó a finales de 1968. Después de un largo proceso de instalación y calibración, el equipo midió las temperaturas durante un período de muchas ejecuciones experimentales. Los resultados iniciales estuvieron disponibles en agosto de 1969; los soviéticos tenían razón, sus resultados eran exactos. El equipo telefoneó los resultados a Culham, quien luego los transmitió en una llamada telefónica confidencial a Washington. [64] Los resultados finales se publicaron en Nature en noviembre de 1969. [65] Los resultados de este anuncio han sido descritos como una "verdadera estampida" de construcción de tokamak en todo el mundo. [66]
Quedaba un problema grave. Debido a que la corriente eléctrica en el plasma era mucho menor y producía mucha menos compresión que una máquina de pellizco, esto significaba que la temperatura del plasma estaba limitada a la velocidad de calentamiento resistivo de la corriente. Propuesta por primera vez en 1950, la resistividad de Spitzer establecía que la resistencia eléctrica de un plasma se reducía a medida que aumentaba la temperatura, [67] lo que significa que la velocidad de calentamiento del plasma se reduciría a medida que los dispositivos mejoraran y las temperaturas aumentaran. Los cálculos demostraron que las temperaturas máximas resultantes, manteniéndose dentro de q > 1, se limitarían a unos pocos millones de grados. Artsimovich se apresuró a señalar esto en Novosibirsk, afirmando que el progreso futuro requeriría el desarrollo de nuevos métodos de calefacción. [68]
Una de las personas que asistieron a la reunión de Novosibirsk en 1968 fue Amasa Stone Bishop , uno de los líderes del programa de fusión estadounidense. Uno de los pocos dispositivos que mostró evidencia clara de superar el límite de Bohm en ese momento fue el concepto multipolar. Tanto Lawrence Livermore como el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), sede del estelarador de Spitzer, estaban construyendo variaciones del diseño multipolar. Si bien tuvo un éxito moderado por sí solo, el T-3 superó ampliamente a cualquiera de las máquinas. A Bishop le preocupaba que los multipolos fueran redundantes y pensó que Estados Unidos debería considerar la posibilidad de crear un tokamak propio. [69]
Cuando planteó la cuestión en una reunión de diciembre de 1968, los directores de los laboratorios se negaron a considerarla. Melvin B. Gottlieb, de Princeton, se exasperó y preguntó: "¿Cree que este comité puede superar a los científicos?". [70] Dado que los principales laboratorios exigían controlar su propia investigación, un laboratorio se vio excluido. Oak Ridge había entrado originalmente en el campo de la fusión con estudios para sistemas de alimentación de reactores, pero se diversificó con un programa espejo propio. A mediados de la década de 1960, sus diseños DCX se estaban quedando sin ideas y no ofrecían nada que no ofreciera el programa similar en el Livermore, más prestigioso y políticamente poderoso. Esto los hizo muy receptivos a nuevos conceptos. [71]
Después de un considerable debate interno, Herman Postma formó un pequeño grupo a principios de 1969 para considerar el tokamak. [71] Se les ocurrió un nuevo diseño, más tarde bautizado como Ormak, que tenía varias características novedosas. El principal de ellos fue la forma en que se creó el campo externo en un solo gran bloque de cobre, alimentado con energía desde un gran transformador debajo del toroide. Esto se oponía a los diseños tradicionales que utilizaban devanados de corriente eléctrica en el exterior. Sintieron que el bloque único produciría un campo mucho más uniforme. También tendría la ventaja de permitir que el toroide tuviera un radio mayor más pequeño, sin necesidad de pasar cables a través del agujero de rosquilla, lo que llevaría a una relación de aspecto más baja , que los soviéticos ya habían sugerido que produciría mejores resultados. [72]
A principios de 1969, Artsimovich visitó el MIT , donde fue perseguido por aquellos interesados en la fusión. Finalmente aceptó dar varias conferencias en abril [68] y luego permitió largas sesiones de preguntas y respuestas. A medida que esto sucedía, el propio MIT se interesó en el tokamak, habiéndose mantenido anteriormente fuera del campo de la fusión por diversas razones. Bruno Coppi estaba en el MIT en ese momento y, siguiendo los mismos conceptos que el equipo de Postma, ideó su propio concepto de baja relación de aspecto, Alcator . En lugar del transformador toroidal de Ormak, Alcator utilizó bobinas de campo magnético tradicionales en forma de anillo, pero requirió que fueran mucho más pequeñas que los diseños existentes. El Laboratorio Francis Bitter Magnet del MIT era el líder mundial en diseño de imanes y confiaban en poder construirlos. [68]
Durante 1969, dos grupos adicionales entraron al campo. En General Atomics , Tihiro Ohkawa había estado desarrollando reactores multipolares y presentó un concepto basado en estas ideas. Se trataba de un tokamak que tendría una sección transversal de plasma no circular; Las mismas matemáticas que sugirieron que una relación de aspecto más baja mejoraría el rendimiento también sugirieron que un plasma en forma de C o D haría lo mismo. Llamó al nuevo diseño Doublet. [73] Mientras tanto, un grupo de la Universidad de Texas en Austin proponía un tokamak relativamente simple para explorar el calentamiento del plasma mediante turbulencia inducida deliberadamente, el Texas Turbulent Tokamak. [74]
Cuando los miembros del Comité Directivo de Fusión de las Comisiones de Energía Atómica se reunieron nuevamente en junio de 1969, tenían "propuestas de tokamak que nos salían de los oídos". [74] El único laboratorio importante que trabajaba en un diseño toroidal que no proponía un tokamak era Princeton, que se negó a considerarlo a pesar de que su estelarador Modelo C era casi perfecto para tal conversión. Continuaron ofreciendo una larga lista de razones por las que no se debería convertir el Modelo C. Cuando estos fueron cuestionados, estalló un furioso debate sobre si los resultados soviéticos eran confiables. [74]
Al observar el debate, Gottlieb cambió de opinión. No tenía sentido seguir adelante con el tokamak si las mediciones soviéticas de la temperatura de los electrones no eran precisas, por lo que formuló un plan para probar o refutar sus resultados. Mientras nadaba en la piscina durante la pausa del almuerzo, le contó a Harold Furth su plan, a lo que Furth respondió: "bueno, tal vez tengas razón". [64] Después del almuerzo, los distintos equipos presentaron sus diseños, momento en el que Gottlieb presentó su idea para un "stellarator-tokamak" basado en el Modelo C. [64]
El Comité Permanente señaló que este sistema podría estar completo en seis meses, mientras que Ormak tardaría un año. [64] Poco tiempo después se publicaron los resultados confidenciales de los Cinco de Culham. Cuando se reunieron nuevamente en octubre, el Comité Permanente liberó fondos para todas estas propuestas. La nueva configuración del Modelo C, pronto denominada Tokamak simétrico, pretendía simplemente verificar los resultados soviéticos, mientras que los demás explorarían formas de ir mucho más allá del T-3. [75]
Los experimentos con el Tokamak simétrico comenzaron en mayo de 1970 y, a principios del año siguiente, confirmaron los resultados soviéticos y luego los superaron. El stellarator fue abandonado y PPPL dedicó su considerable experiencia al problema del calentamiento del plasma. Dos conceptos parecían prometedores. PPPL propuso utilizar compresión magnética, una técnica similar a un pellizco para comprimir un plasma caliente y elevar su temperatura, pero proporcionando esa compresión a través de imanes en lugar de corriente. [76] Oak Ridge sugirió la inyección de haz neutro , pequeños aceleradores de partículas que dispararían átomos de combustible a través del campo magnético circundante donde colisionarían con el plasma y lo calentarían. [77]
El compresor toroidal adiabático (ATC) de PPPL comenzó a funcionar en mayo de 1972, seguido poco después por un Ormak equipado con haz neutro. Ambos demostraron problemas significativos, pero PPPL superó a Oak Ridge al instalar inyectores de viga en el ATC y proporcionó evidencia clara de calentamiento exitoso en 1973. Este éxito "sacó" a Oak Ridge, quien cayó en desgracia dentro del Comité Directivo de Washington. [78]
En ese momento se estaba construyendo un diseño mucho más grande basado en calentamiento por haz, el Princeton Large Torus , o PLT. El PLT fue diseñado específicamente para "dar una indicación clara de si el concepto de tokamak más la calefacción auxiliar pueden constituir la base para un futuro reactor de fusión". [79] El PLT fue un enorme éxito, elevando continuamente su temperatura interna hasta alcanzar los 60 millones de grados Celsius (8.000 eV, ocho veces el récord del T-3) en 1978. Este es un punto clave en el desarrollo del tokamak; Las reacciones de fusión se vuelven autosostenidas a temperaturas entre 50 y 100 millones de grados Celsius, el PLT demostró que esto era técnicamente posible. [79]
Estos experimentos, especialmente el PLT, pusieron a Estados Unidos a la cabeza en la investigación del tokamak. Esto se debe en gran medida al presupuesto; un tokamak costaba alrededor de 500.000 dólares y el presupuesto anual de fusión de Estados Unidos rondaba los 25 millones de dólares en aquel momento. [59] Podrían permitirse el lujo de explorar todos los métodos prometedores de calefacción y, en última instancia, descubrieron que los haces neutros se encuentran entre los más eficaces. [80]
Durante este período, Robert Hirsch asumió la dirección de desarrollo de la fusión en la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos . Hirsch consideró que el programa no podría sostenerse en sus niveles de financiación actuales sin demostrar resultados tangibles. Comenzó a reformular todo el programa. Lo que alguna vez había sido un esfuerzo de exploración principalmente científica liderado por un laboratorio ahora era un esfuerzo liderado por Washington para construir un reactor productor de energía que funcionara. [80] Esto recibió un impulso con la crisis del petróleo de 1973 , que condujo a un gran aumento de la investigación sobre sistemas de energía alternativos . [81]
A finales de la década de 1970, los tokamaks habían alcanzado todas las condiciones necesarias para un reactor de fusión práctico; en 1978, el PLT había demostrado temperaturas de ignición, al año siguiente el T-7 soviético utilizó con éxito imanes superconductores por primera vez, [82] Doublet demostró ser un éxito y condujo a que casi todos los diseños futuros adoptaran este enfoque de "plasma moldeado". Parecía que todo lo que se necesitaba para construir un reactor productor de energía era poner todos estos conceptos de diseño en una sola máquina, una que fuera capaz de funcionar con el tritio radiactivo en su mezcla de combustible. [83]
La carrera estaba en marcha. Durante la década de 1970, se financiaron cuatro importantes propuestas de segunda generación en todo el mundo. Los soviéticos continuaron su linaje de desarrollo con el T-15, [82] mientras que un esfuerzo paneuropeo estaba desarrollando el Joint European Torus (JET) y Japón comenzó el esfuerzo JT-60 (originalmente conocido como "Instalación de prueba de plasma de equilibrio") . En Estados Unidos, Hirsch comenzó a formular planes para un diseño similar, omitiendo propuestas para otro diseño de paso directo hacia uno que quema tritio. Surgió como el Reactor de Prueba de Fusión Tokamak (TFTR), operado directamente desde Washington y no vinculado a ningún laboratorio específico. [83] Originalmente favoreciendo a Oak Ridge como anfitrión, Hirsch lo trasladó a PPPL después de que otros lo convencieron de que trabajarían más duro porque tenían más que perder. [84]
El entusiasmo fue tan generalizado que en esta época comenzaron varias empresas comerciales para producir tokamaks comerciales. El más conocido de ellos, en 1978, Bob Guccione , editor de Penthouse Magazine , conoció a Robert Bussard y se convirtió en el inversor privado más grande y comprometido del mundo en tecnología de fusión, invirtiendo finalmente 20 millones de dólares de su propio dinero en el Compact Tokamak de Bussard. La financiación del Banco Riggs hizo que este esfuerzo se conociera como Riggatron . [85]
TFTR ganó la carrera de construcción y comenzó a operar en 1982, seguido poco después por JET en 1983 y JT-60 en 1985. JET rápidamente tomó la delantera en experimentos críticos, pasando de gases de prueba al deuterio y "disparos" cada vez más potentes. Pero pronto quedó claro que ninguno de los nuevos sistemas funcionaba como se esperaba. Aparecieron una serie de nuevas inestabilidades, junto con una serie de problemas más prácticos que continuaron interfiriendo con su desempeño. Además de esto, tanto en TFTR como en JET se observaron peligrosas "excursiones" del plasma golpeando las paredes del reactor. Incluso cuando funcionaba perfectamente, el confinamiento del plasma a temperaturas de fusión, el llamado " triple producto de fusión ", seguía estando muy por debajo de lo que sería necesario para un diseño práctico de reactor.
A mediados de la década de 1980 se aclararon las razones de muchos de estos problemas y se ofrecieron varias soluciones. Sin embargo, esto aumentaría significativamente el tamaño y la complejidad de las máquinas. Un diseño posterior que incorpore estos cambios sería enorme y mucho más costoso que JET o TFTR. Un nuevo período de pesimismo descendió sobre el campo de la fusión.
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Al mismo tiempo que estos experimentos demostraban problemas, gran parte del impulso para la financiación masiva de Estados Unidos desapareció; en 1986, Ronald Reagan declaró que la crisis energética de los años 1970 había terminado, [86] y la financiación para fuentes de energía avanzadas se había recortado a principios de los años 1980.
Desde junio de 1973 se había estado pensando en un diseño de reactor internacional bajo el nombre de INTOR, por INternational TOkamak Reactor. Esto se inició originalmente a través de un acuerdo entre Richard Nixon y Leonid Brezhnev , pero había avanzado lentamente desde su primera reunión real el 23 de noviembre de 1978. [87]
Durante la Cumbre de Ginebra de noviembre de 1985, Reagan planteó la cuestión a Mikhail Gorbachev y propuso reformar la organización. "... Los dos dirigentes subrayaron la importancia potencial de los trabajos destinados a utilizar la fusión termonuclear controlada con fines pacíficos y, en este sentido, abogaron por el más amplio desarrollo posible de la cooperación internacional para obtener esta fuente de energía, que es esencialmente inagotable, para el beneficio para toda la humanidad." [88]
Al año siguiente, se firmó un acuerdo entre Estados Unidos, la Unión Soviética, la Unión Europea y Japón, creando la organización Internacional del Reactor Experimental Termonuclear . [89] [90]
El trabajo de diseño comenzó en 1988 y, desde entonces, el reactor ITER ha sido el principal esfuerzo de diseño de tokamak en todo el mundo.
Se sabe desde hace mucho tiempo que unos imanes de campo más fuertes permitirían una alta ganancia de energía en un tokamak mucho más pequeño, y hace décadas se propusieron conceptos como FIRE, IGNITOR y Compact Ignition Tokamak (CIT) .
La disponibilidad comercial de superconductores de alta temperatura (HTS) en la década de 2010 abrió un camino prometedor para construir los imanes de mayor campo necesarios para alcanzar niveles de ganancia de energía similares a los del ITER en un dispositivo compacto. Para aprovechar esta nueva tecnología, el MIT Plasma Science and Fusion Center (PSFC) y la filial del MIT Commonwealth Fusion Systems (CFS) construyeron y probaron con éxito la bobina modelo de campo toroidal (TFMC) en 2021 para demostrar el campo magnético de 20 Tesla necesario para construir. SPARC , un dispositivo diseñado para lograr una ganancia de fusión similar a la del ITER pero con solo ~1/40 del volumen de plasma del ITER.
La startup británica Tokamak Energy también planea construir un tokamak de energía neta utilizando imanes HTS, pero con la variante esférica.
El reactor conjunto UE/Japón JT-60SA logró el primer plasma el 23 de octubre de 2023, después de un retraso de dos años provocado por un cortocircuito eléctrico. [91] [92]
Los iones cargados positivamente y los electrones cargados negativamente en un plasma de fusión se encuentran a temperaturas muy altas y, en consecuencia, tienen velocidades grandes. Para mantener el proceso de fusión, las partículas del plasma caliente deben quedar confinadas en la región central, o el plasma se enfriará rápidamente. Los dispositivos de fusión por confinamiento magnético aprovechan el hecho de que las partículas cargadas en un campo magnético experimentan una fuerza de Lorentz y siguen trayectorias helicoidales a lo largo de las líneas de campo. [93]
El sistema de confinamiento magnético más simple es un solenoide . Un plasma en un solenoide formará espirales alrededor de las líneas de campo que recorren su centro, impidiendo el movimiento hacia los lados. Sin embargo, esto no impide el movimiento hacia los extremos. La solución obvia es doblar el solenoide formando un círculo, formando un toroide. Sin embargo, quedó demostrado que tal disposición no es uniforme; Por razones puramente geométricas, el campo en el borde exterior del toro es menor que en el borde interior. Esta asimetría hace que los electrones y los iones se desplacen a través del campo y, finalmente, golpeen las paredes del toroide. [30]
La solución es darles forma a las líneas para que no simplemente corran alrededor del toroide, sino que se tuerzan como las rayas de un poste de barbero o de un bastón de caramelo . En tal campo, cualquier partícula individual se encontrará en el borde exterior donde se desplazará en una dirección, digamos hacia arriba, y luego, a medida que sigue su línea magnética alrededor del toro, se encontrará en el borde interior, donde se desplazará en el otro sentido. forma. Esta cancelación no es perfecta, pero los cálculos demostraron que fue suficiente para permitir que el combustible permaneciera en el reactor durante un tiempo útil. [93]
Las dos primeras soluciones para hacer un diseño con el giro requerido fueron el stellarator que lo hizo a través de una disposición mecánica, girando todo el toro, y el diseño z-pinch que hizo pasar una corriente eléctrica a través del plasma para crear un segundo campo magnético al mismo fin. Ambos demostraron tiempos de confinamiento mejorados en comparación con un toro simple, pero ambos también demostraron una variedad de efectos que causaron que el plasma se perdiera de los reactores a velocidades que no eran sostenibles.
El tokamak es esencialmente idéntico al concepto z-pinch en su diseño físico. [94] Su innovación clave fue la comprensión de que las inestabilidades que estaban causando que el pellizco perdiera su plasma podían controlarse. El problema era cuán "retorcidos" eran los campos; Los campos que hacían que las partículas transitaran dentro y fuera más de una vez por órbita alrededor del toro del eje largo eran mucho más estables que los dispositivos que tenían menos torsión. Esta relación entre giros y órbitas se conoció como factor de seguridad , denotado q . Los dispositivos anteriores operaban en q aproximadamente 1 ⁄ 3 , mientras que el tokamak opera en q ≫ 1 . Esto aumenta la estabilidad en órdenes de magnitud.
Cuando se considera el problema aún más de cerca, surge la necesidad de una componente vertical (paralela al eje de rotación) del campo magnético. La fuerza de Lorentz de la corriente de plasma toroidal en el campo vertical proporciona la fuerza hacia adentro que mantiene el toro de plasma en equilibrio.
Si bien el tokamak aborda la cuestión de la estabilidad del plasma en un sentido general, los plasmas también están sujetos a una serie de inestabilidades dinámicas. Uno de ellos, la inestabilidad de las torceduras , se suprime en gran medida mediante la disposición del tokamak, un efecto secundario de los altos factores de seguridad de los tokamaks. La ausencia de torceduras permitió que el tokamak funcionara a temperaturas mucho más altas que las máquinas anteriores, lo que permitió que aparecieran una serie de fenómenos nuevos.
Una de ellas, las órbitas del plátano , es causada por la amplia gama de energías de las partículas en un tokamak: gran parte del combustible está caliente, pero un cierto porcentaje está mucho más frío. Debido a la alta torsión de los campos en el tokamak, las partículas que siguen sus líneas de fuerza se mueven rápidamente hacia el borde interior y luego hacia el exterior. A medida que se mueven hacia adentro, están sujetos a campos magnéticos crecientes debido al radio más pequeño que concentra el campo. Las partículas de baja energía en el combustible se reflejarán en este campo creciente y comenzarán a viajar hacia atrás a través del combustible, chocando con los núcleos de mayor energía y dispersándolos fuera del plasma. Este proceso provoca que se pierda combustible del reactor, aunque es lo suficientemente lento como para que un reactor práctico todavía esté al alcance de la mano. [95]
Otra inestabilidad es la inestabilidad desgarradora. En 2024, los investigadores utilizaron el aprendizaje por refuerzo frente a un modelo dinámico multimodal para pronosticar dichas inestabilidades basándose en señales de múltiples diagnósticos y actuadores. Este pronóstico se utilizó para reducir las inestabilidades desgarradoras en DIII-D6 , en Estados Unidos. En particular, el plasma siguió activamente la ruta estable mientras mantenía el rendimiento en modo H. [96]
Uno de los primeros objetivos de cualquier dispositivo de fusión controlada es alcanzar el punto de equilibrio , el punto en el que la energía liberada por las reacciones de fusión es igual a la cantidad de energía utilizada para mantener la reacción. La relación entre la energía de salida y de entrada se denomina Q , y el punto de equilibrio corresponde a un Q de 1. Se necesita un Q de más de uno para que el reactor genere energía neta, pero por razones prácticas, es deseable que sea mucho mayor. .
Una vez que se alcanza el punto de equilibrio, nuevas mejoras en el confinamiento generalmente conducen a un rápido aumento de Q. Esto se debe a que parte de la energía que se desprende de las reacciones de fusión del combustible de fusión más común, una mezcla 50-50 de deuterio y tritio , se encuentra en forma de partículas alfa . Estos pueden chocar con los núcleos de combustible del plasma y calentarlo, reduciendo la cantidad de calor externo necesaria. En algún punto, conocido como ignición , este autocalentamiento interno es suficiente para mantener la reacción sin ningún calentamiento externo, correspondiente a un Q infinito .
En el caso del tokamak, este proceso de autocalentamiento se maximiza si las partículas alfa permanecen en el combustible el tiempo suficiente para garantizar que colisionarán con el combustible. Como los alfa están cargados eléctricamente, están sujetos a los mismos campos que confinan el plasma combustible. La cantidad de tiempo que pasan en el combustible se puede maximizar asegurando que su órbita en el campo permanezca dentro del plasma. Se puede demostrar que esto ocurre cuando la corriente eléctrica en el plasma es de aproximadamente 3 MA. [97]
A principios de la década de 1970, los estudios en Princeton sobre el uso de imanes superconductores de alta potencia en futuros diseños de tokamak examinaron la disposición de los imanes. Se dieron cuenta de que la disposición de las bobinas toroidales principales significaba que había significativamente más tensión entre los imanes en el interior de la curvatura, donde estaban más juntos. Teniendo esto en cuenta, observaron que las fuerzas de tensión dentro de los imanes se equilibrarían si tuvieran forma de D, en lugar de O. Esto se conoció como la "bobina D de Princeton". [98]
Esta no era la primera vez que se consideraba este tipo de acuerdo, aunque por razones completamente diferentes. El factor de seguridad varía según el eje de la máquina; Por razones puramente geométricas, siempre es más pequeño en el borde interior del plasma más cercano al centro de la máquina, porque allí el eje longitudinal es más corto. Eso significa que una máquina con un promedio q = 2 aún podría ser menor que 1 en ciertas áreas. En la década de 1970, se sugirió que una forma de contrarrestar esto y producir un diseño con un q promedio más alto sería dar forma a los campos magnéticos de modo que el plasma solo llenara la mitad exterior del toro, que tiene forma de D o C cuando se mira. de extremo, en lugar de la sección transversal circular normal.
Una de las primeras máquinas en incorporar un plasma en forma de D fue la JET , que inició sus trabajos de diseño en 1973. Esta decisión se tomó tanto por razones teóricas como prácticas; debido a que la fuerza es mayor en el borde interior del toro, hay una fuerza neta grande que presiona hacia adentro todo el reactor. La forma de D también tenía la ventaja de reducir la fuerza neta, además de hacer que el borde interior soportado fuera más plano para que fuera más fácil de sostener. [99] El código que exploraba el diseño general notó que una forma no circular se desplazaba lentamente verticalmente, lo que llevó a la adición de un sistema de retroalimentación activa para mantenerla en el centro. [100] Una vez que JET seleccionó este diseño, el equipo de General Atomics Doublet III rediseñó esa máquina en el D-IIID con una sección transversal en forma de D, y también fue seleccionada para el diseño japonés JT-60 . Este diseño ha sido en gran medida universal desde entonces.
Un problema que se observa en todos los reactores de fusión es que la presencia de elementos más pesados hace que la energía se pierda a un ritmo mayor, enfriando el plasma. Durante los primeros desarrollos de la energía de fusión, se encontró una solución a este problema: el desviador , esencialmente un gran espectrómetro de masas que haría que los elementos más pesados fueran expulsados del reactor. Inicialmente, esto formaba parte de los diseños de Stellarator , donde es fácil de integrar en los devanados magnéticos. Sin embargo, diseñar un desviador para un tokamak resultó ser un problema de diseño muy difícil.
Otro problema que se observa en todos los diseños de fusión es la carga de calor que el plasma coloca en la pared del recipiente de confinamiento. Hay materiales que pueden soportar esta carga, pero generalmente son metales pesados indeseables y costosos . Cuando estos materiales chocan con iones calientes, sus átomos se mezclan con el combustible y lo enfrían rápidamente. Una solución utilizada en la mayoría de los diseños de tokamak es el limitador , un pequeño anillo de metal ligero que se proyectaba dentro de la cámara para que el plasma impactara sobre ella antes de impactar contra las paredes. Esto erosionó el limitador y provocó que sus átomos se mezclaran con el combustible, pero estos materiales más ligeros causan menos perturbaciones que los materiales de las paredes.
Cuando los reactores se trasladaron a los plasmas en forma de D, rápidamente se observó que el flujo de partículas que se escapaba del plasma también podía moldearse. Con el tiempo, esto llevó a la idea de utilizar los campos para crear un desviador interno que arroje los elementos más pesados fuera del combustible, generalmente hacia el fondo del reactor. Allí se utiliza un charco de litio metálico líquido como especie de limitador; las partículas chocan contra él y se enfrían rápidamente, permaneciendo en el litio. Esta piscina interna es mucho más fácil de enfriar debido a su ubicación, y aunque algunos átomos de litio se liberan en el plasma, su masa muy baja lo convierte en un problema mucho menor que incluso los metales más ligeros utilizados anteriormente.
Cuando las máquinas comenzaron a explorar este plasma de nueva forma , notaron que ciertas disposiciones de los campos y parámetros del plasma a veces entraban en lo que ahora se conoce como modo de alto confinamiento , o modo H, que operaba de manera estable a temperaturas y presiones más altas. Operar en modo H, que también se puede ver en los estelaradores, es ahora un objetivo importante del diseño del tokamak.
Finalmente, se observó que cuando el plasma tuviera una densidad no uniforme daría lugar a corrientes eléctricas internas. Esto se conoce como corriente de arranque . Esto permite que un reactor diseñado adecuadamente genere parte de la corriente interna necesaria para torcer las líneas del campo magnético sin tener que suministrarla desde una fuente externa. Esto tiene una serie de ventajas, y todos los diseños modernos intentan generar la mayor cantidad posible de corriente total a través del proceso de arranque.
A principios de la década de 1990, la combinación de estas características y otras en conjunto dieron lugar al concepto de "tokamak avanzado". Esto constituye la base de la investigación moderna, incluido el ITER.
Los tokamaks están sujetos a eventos conocidos como "disrupciones" que hacen que el confinamiento se pierda en milisegundos . Hay dos mecanismos principales. En uno, el "evento de desplazamiento vertical" (VDE), todo el plasma se mueve verticalmente hasta tocar la sección superior o inferior de la cámara de vacío. En el otro, la "disrupción mayor", las inestabilidades magnetohidrodinámicas no simétricas del eje y de longitud de onda larga hacen que el plasma sea forzado a adoptar formas no simétricas, a menudo comprimido en la parte superior e inferior de la cámara. [101]
Cuando el plasma toca las paredes del recipiente, sufre un enfriamiento rápido o "enfriamiento térmico". En el caso de una alteración importante, esto normalmente va acompañado de un breve aumento de la corriente plasmática a medida que el plasma se concentra. En última instancia, el enfriamiento provoca que se rompa el confinamiento del plasma. En caso de una perturbación importante, la corriente vuelve a caer, lo que se denomina "apagado de corriente". El aumento inicial de corriente no se ve en el VDE, y la extinción térmica y de corriente ocurre al mismo tiempo. [101] En ambos casos, la carga térmica y eléctrica del plasma se deposita rápidamente en la vasija del reactor, que debe poder soportar estas cargas. ITER está diseñado para gestionar 2.600 de estos eventos a lo largo de su vida. [102]
Para los dispositivos modernos de alta energía, donde las corrientes de plasma son del orden de 15 mega amperios en ITER , es posible que el breve aumento de la corriente durante una interrupción importante cruce un umbral crítico. Esto ocurre cuando la corriente produce una fuerza sobre los electrones mayor que las fuerzas de fricción de las colisiones entre partículas en el plasma. En este caso, los electrones pueden acelerarse rápidamente a velocidades relativistas, creando los llamados "electrones desbocados" en la avalancha relativista de electrones desbocados . Estos retienen su energía incluso cuando la corriente se apaga en la mayor parte del plasma. [102]
Cuando el confinamiento finalmente se rompe, estos electrones desbocados siguen el camino de menor resistencia e impactan el costado del reactor. Estos pueden alcanzar los 12 megaamperios de corriente depositados en un área pequeña, muy por encima de las capacidades de cualquier solución mecánica. [101] En un caso famoso, el Tokamak de Fontenay aux Roses tuvo una interrupción importante en la que los electrones desbocados quemaron un agujero a través de la cámara de vacío. [102]
La incidencia de perturbaciones importantes en la carrera de los tokamaks siempre ha sido bastante elevada, del orden de un pequeño porcentaje del número total de disparos. En los tokamaks actualmente en funcionamiento, los daños suelen ser grandes, pero rara vez dramáticos. En el tokamak ITER se espera que la aparición de un número limitado de averías importantes dañen definitivamente la cámara sin posibilidad de restaurar el dispositivo. [103] [104] [105] El desarrollo de sistemas para contrarrestar los efectos de los electrones desbocados se considera una pieza de tecnología imprescindible para el nivel operativo ITER. [102]
Una gran amplitud de la densidad de corriente central también puede provocar perturbaciones internas , o dientes de sierra, que generalmente no provocan la terminación de la descarga. [106]
En un reactor de fusión en funcionamiento, parte de la energía generada servirá para mantener la temperatura del plasma a medida que se introducen deuterio y tritio nuevos . Sin embargo, en la puesta en marcha de un reactor, ya sea inicialmente o después de una parada temporal, el plasma deberá calentarse hasta su temperatura de funcionamiento superior a 10 keV (más de 100 millones de grados Celsius). En los experimentos actuales de fusión magnética con tokamak (y otros), se produce energía de fusión insuficiente para mantener la temperatura del plasma y se debe suministrar un calentamiento externo constante. Investigadores chinos crearon el Tokamak Experimental Avanzado Superconductor Superconductor (EAST) en 2006, que se cree que sustenta un plasma de 100 millones de grados Celsius (el sol tiene una temperatura de 15 millones de grados Celsius), necesario para iniciar la fusión entre átomos de hidrógeno, según la última prueba realizada. en ESTE (prueba realizada en noviembre de 2018).
Dado que el plasma es un conductor eléctrico, es posible calentarlo induciendo una corriente a través de él; la corriente inducida que proporciona la mayor parte del campo poloidal es también una fuente importante de calentamiento inicial.
El calentamiento causado por la corriente inducida se llama calentamiento óhmico (o resistivo); es el mismo tipo de calentamiento que se produce en una bombilla eléctrica o en un calentador eléctrico. El calor generado depende de la resistencia del plasma y de la cantidad de corriente eléctrica que lo atraviesa. Pero a medida que aumenta la temperatura del plasma calentado, la resistencia disminuye y el calentamiento óhmico se vuelve menos efectivo. Parece que la temperatura máxima del plasma que se puede alcanzar mediante calentamiento óhmico en un tokamak es de 20 a 30 millones de grados Celsius. Para obtener temperaturas aún más altas, se deben utilizar métodos de calentamiento adicionales.
La corriente se induce aumentando continuamente la corriente a través de un devanado electromagnético unido al toro de plasma: el plasma puede considerarse como el devanado secundario de un transformador. Este es inherentemente un proceso pulsado porque hay un límite para la corriente a través del primario (también existen otras limitaciones en pulsos largos). Por lo tanto, los tokamaks deben funcionar durante períodos cortos o depender de otros medios de calefacción y corriente eléctrica.
Un gas se puede calentar mediante una compresión repentina. De la misma manera, la temperatura de un plasma aumenta si se comprime rápidamente aumentando el campo magnético de confinamiento. En un tokamak, esta compresión se logra simplemente moviendo el plasma a una región de mayor campo magnético (es decir, radialmente hacia adentro). Dado que la compresión del plasma acerca los iones, el proceso tiene el beneficio adicional de facilitar el logro de la densidad requerida para un reactor de fusión.
La compresión magnética fue un área de investigación en la primera "estampida de tokamak" y fue el propósito de un diseño importante, el ATC. El concepto no se ha utilizado ampliamente desde entonces, aunque un concepto algo similar es parte del diseño de General Fusion .
La inyección de haz neutro implica la introducción de átomos o moléculas de alta energía (que se mueven rápidamente) en un plasma confinado magnéticamente y calentado óhmicamente dentro del tokamak.
Los átomos de alta energía se originan como iones en una cámara de arco antes de ser extraídos a través de una red de alto voltaje. El término "fuente de iones" se utiliza para referirse en general al conjunto que consta de un conjunto de filamentos emisores de electrones, un volumen de cámara de arco y un conjunto de rejillas de extracción. Un segundo dispositivo, de concepto similar, se utiliza para acelerar electrones por separado hasta alcanzar la misma energía. La masa mucho más ligera de los electrones hace que este dispositivo sea mucho más pequeño que su homólogo de iones. Luego, los dos haces se cruzan, donde los iones y electrones se recombinan en átomos neutros, lo que les permite viajar a través de los campos magnéticos.
Una vez que el haz neutro ingresa al tokamak, se producen interacciones con los principales iones del plasma. Esto tiene dos efectos. Una es que los átomos inyectados se reionizan y se cargan, quedando así atrapados dentro del reactor y añadiéndose a la masa de combustible. La otra es que el proceso de ionización se produce mediante impactos con el resto del combustible, y esos impactos depositan energía en ese combustible, calentándolo.
Esta forma de calentamiento no tiene limitación inherente de energía (temperatura), a diferencia del método óhmico, pero su velocidad está limitada a la corriente en los inyectores. Los voltajes de extracción de las fuentes de iones suelen ser del orden de 50 a 100 kV, y se están desarrollando fuentes de iones negativos de alto voltaje (-1 MV) para el ITER. La instalación de pruebas de haces neutros del ITER en Padua será la primera instalación del ITER en comenzar a funcionar. [107]
Si bien la inyección de haz neutro se usa principalmente para calentar plasma, también se puede usar como herramienta de diagnóstico y en control de retroalimentación al generar un haz pulsado que consta de una serie de breves destellos de 2 a 10 ms. El deuterio es el combustible principal para los sistemas de calefacción por haz neutro y, en ocasiones, se utilizan hidrógeno y helio para experimentos seleccionados.
Las ondas electromagnéticas de alta frecuencia son generadas por osciladores (a menudo por girotrones o klistrones ) fuera del toro. Si las ondas tienen la frecuencia (o longitud de onda) y polarización correctas, su energía puede transferirse a las partículas cargadas en el plasma, que a su vez chocan con otras partículas de plasma, aumentando así la temperatura del plasma en masa. Existen varias técnicas, incluido el calentamiento por resonancia de ciclotrón de electrones (ECRH) y el calentamiento por resonancia de ciclotrón de iones . Esta energía suele transferirse mediante microondas.
Las descargas de plasma dentro de la cámara de vacío del tokamak consisten en iones y átomos energizados y la energía de estas partículas eventualmente llega a la pared interna de la cámara a través de radiación, colisiones o falta de confinamiento. La pared interior de la cámara se enfría con agua y el calor de las partículas se elimina mediante conducción a través de la pared hasta el agua y convección del agua calentada a un sistema de refrigeración externo.
Las bombas turbomoleculares o de difusión permiten que las partículas sean evacuadas del volumen a granel y las bombas criogénicas, que consisten en una superficie enfriada con helio líquido, sirven para controlar eficazmente la densidad a lo largo de la descarga al proporcionar un sumidero de energía para que se produzca la condensación. Cuando se realizan correctamente, las reacciones de fusión producen grandes cantidades de neutrones de alta energía . Al ser eléctricamente neutros y relativamente pequeños, los neutrones no se ven afectados por los campos magnéticos ni son detenidos mucho por la cámara de vacío circundante.
El flujo de neutrones se reduce significativamente en un límite de escudo de neutrones construido expresamente que rodea el tokamak en todas direcciones. Los materiales del escudo varían, pero generalmente son materiales hechos de átomos que tienen un tamaño cercano al de los neutrones porque funcionan mejor para absorber el neutrón y su energía. Entre los buenos materiales candidatos se incluyen aquellos con mucho hidrógeno, como el agua y los plásticos. Los átomos de boro también son buenos absorbentes de neutrones. Por tanto, el hormigón y el polietileno dopados con boro son materiales económicos de protección contra neutrones.
Una vez liberado, el neutrón tiene una vida media relativamente corta, de unos 10 minutos, antes de desintegrarse en un protón y un electrón con emisión de energía. Cuando llegue el momento de intentar producir electricidad a partir de un reactor basado en un tokamak, algunos de los neutrones producidos en el proceso de fusión serían absorbidos por una capa de metal líquido y su energía cinética se utilizaría en procesos de transferencia de calor para, en última instancia, hacer funcionar un generador. .
(en orden cronológico de inicio de operaciones)
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