Estelarador

Ejemplo de un diseño estelar usado en el experimento Wendelstein 7-X: Una serie de bobinas magnéticas (azul) rodea el plasma (amarillo). Una línea de campo magnético se destaca en verde en la superficie de plasma amarillo.

Wendelstein 7-X en Greifswald, Alemania. Las bobinas están preparadas para el estelar experimental.

Stellarator HSX

Un stellarator es un dispositivo de plasma que se basa principalmente en imanes externos para confinar un plasma. Los científicos que investigan la fusión por confinamiento magnético pretenden utilizar dispositivos stellarator como recipiente para las reacciones de fusión nuclear. El nombre hace referencia a la posibilidad de aprovechar la fuente de energía de las estrellas, como el Sol. Es uno de los primeros dispositivos de energía de fusión, junto con el z-pinch y el espejo magnético.

El stellarator fue inventado por el científico estadounidense Lyman Spitzer de la Universidad de Princeton en 1951, y gran parte de su desarrollo inicial lo llevó a cabo su equipo en lo que se convirtió en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL). El Modelo A de Lyman comenzó a operar en 1953 y demostró el confinamiento de plasma. Siguieron modelos más grandes, pero estos demostraron un bajo rendimiento, perdiendo plasma a tasas mucho peores que las predicciones teóricas. A principios de la década de 1960, se desvaneció cualquier esperanza de producir rápidamente una máquina comercial y la atención se centró en estudiar la teoría fundamental de los plasmas de alta energía. A mediados de la década de 1960, Spitzer estaba convencido de que el stellarator estaba igualando la velocidad de difusión de Bohm, lo que sugería que nunca sería un dispositivo de fusión práctico.

La publicación de información sobre el diseño del tokamak de la URSS en 1968 indicó un salto en el rendimiento. Después de un gran debate dentro de la industria estadounidense, PPPL convirtió el stellarator Modelo C en el Symmetrical Tokamak (ST) como una forma de confirmar o negar estos resultados. ST los confirmó, y el trabajo a gran escala en el concepto stellarator terminó en los EE. UU. cuando el tokamak atrajo la mayor parte de la atención durante las próximas dos décadas. La investigación sobre el diseño continuó en Alemania y Japón, donde se construyeron varios diseños nuevos.

El tokamak finalmente demostró tener problemas similares a los stellarators, pero por razones diferentes. Desde la década de 1990, el diseño de stellarator ha despertado un interés renovado. Los nuevos métodos de construcción han aumentado la calidad y potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. Se han construido varios dispositivos nuevos para probar estos conceptos. Los principales ejemplos incluyen Wendelstein 7-X en Alemania, el experimento helicoidalmente simétrico (HSX) en los EE. UU. y el dispositivo helicoidal grande en Japón.

Historia

Trabajo previo

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 inyectar núcleos de deuterio en una hoja de metal que contenía deuterio, litio u otros elementos. Estos experimentos les permitieron medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión entre núcleos y determinaron que la reacción de tritio-deuterio se producía a una energía más baja que cualquier otro combustible, alcanzando un máximo de unos 100 000 electronvoltios (100 keV).

100 keV corresponde a una temperatura de alrededor de mil millones de kelvin. Debido a las estadísticas de Maxwell-Boltzmann, un gas a granel a una temperatura mucho más baja aún contendrá algunas partículas a estas energías mucho más altas. Debido a que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso un pequeño número de estas reacciones puede liberar suficiente energía para mantener el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi demostró que esto ocurriría a una temperatura global de unos 50 millones de grados centígrados, todavía muy caliente pero dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar dicho plasma; ningún contenedor de material podría soportar esas temperaturas. Pero debido a que los plasmas son eléctricamente conductores, están sujetos a campos eléctricos y magnéticos que brindan una serie de soluciones.

En un campo magnético, los electrones y los núcleos del plasma giran alrededor de las líneas de fuerza magnéticas. Una forma de proporcionar algo de confinamiento sería colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide. Un solenoide crea líneas magnéticas que recorren su centro, y el combustible se mantendría alejado de las paredes al orbitar estas líneas de fuerza. Pero tal disposición no limita el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo en forma de toroide (rosquilla), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan girar para siempre.

Sin embargo, esta solución en realidad no funciona. Por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toroide están más juntos en la curva interior, dentro del "agujero de dona". Fermi notó que esto haría que los electrones se alejaran de los núcleos, causando eventualmente que se separen y provoquen el desarrollo de grandes voltajes. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma dentro del toro se expandiera hasta golpear las paredes del reactor.

Estelarador

Después de la Segunda Guerra Mundial, varios investigadores comenzaron a considerar diferentes formas de confinar un plasma. George Paget Thomson del Imperial College London propuso un sistema ahora conocido como z-pinch, que hace pasar una corriente a través del plasma. Debido a la fuerza de Lorentz, esta corriente crea un campo magnético que atrae el plasma sobre sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes del reactor. Esto elimina la necesidad de imanes en el exterior, evitando el problema que señaló Fermi. Varios equipos en el Reino Unido habían construido una serie de pequeños dispositivos experimentales utilizando esta técnica a fines de la década de 1940.

Otra persona que trabajó en reactores de fusión controlada fue Ronald Richter, un científico alemán que se mudó a Argentina después de la guerra. Su thermotron utilizaba un sistema de arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para calentar y confinar. Convenció a Juan Perón para financiar el desarrollo de un reactor experimental en una isla aislada cerca de la frontera con Chile. Conocido como el Proyecto Huemul, se completó en 1951. Richter pronto se convenció de que se había logrado la fusión a pesar de que otras personas que trabajaban en el proyecto no estaban de acuerdo. El "éxito" fue anunciado por Perón el 24 de marzo de 1951, convirtiéndose en el tema de los periódicos de todo el mundo.

Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Lyman Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien mencionó un artículo sobre Huemul en The New York Times. Mirando la descripción en el artículo, Spitzer concluyó que posiblemente no podría funcionar; el sistema simplemente no podía proporcionar suficiente energía para calentar el combustible a temperaturas de fusión. Pero la idea se quedó con él, y comenzó a considerar sistemas que funcionarían. Mientras viajaba en el telesilla, se le ocurrió el concepto stellarator.

El concepto básico era una forma de modificar el diseño del toroide para que abordara las preocupaciones de Fermi a través de la geometría del dispositivo. Al torcer un extremo del toro en comparación con el otro, formando un diseño en forma de 8 en lugar de un círculo, las líneas magnéticas ya no viajaban alrededor del tubo en un radio constante, sino que se acercaban y alejaban del toro. centro. Una partícula que orbite alrededor de estas líneas se encontraría moviéndose constantemente dentro y fuera del eje menor del toro. La deriva hacia arriba mientras viajaba a través de una sección del reactor se invertiría después de media órbita y volvería a descender. La cancelación no fue perfecta, pero parecía que esto reduciría tanto las tasas netas de deriva que el combustible permanecería atrapado el tiempo suficiente para calentarlo a las temperaturas requeridas.

Su descripción de 1958 fue simple y directa:

El confinamiento magnético en el estelar se basa en un fuerte campo magnético producido por bobinas solenoideales que rodean un tubo toroidal. La configuración se caracteriza por una 'transforma rotacional', tal que una sola línea de fuerza magnética, seguida alrededor del sistema, interseca un plano transversal en puntos que giran sucesivamente sobre el eje magnético.... Una transformación rotacional puede ser generada ya sea por un campo solenoideal en un tubo torcido, o con forma de figura, o por el uso de un campo helicoidal multipolar transversal adicional, con simetría helicoidal.

Cervino

Mientras trabajaba en Los Álamos en 1950, John Wheeler sugirió establecer un laboratorio de investigación secreto en la Universidad de Princeton que continuaría con el trabajo teórico sobre las bombas H después de su regreso a la universidad en 1951. Spitzer fue invitado a unirse a este programa, dada su investigación previa en plasmas interestelares.

Pero en el momento de su viaje a Aspen, Spitzer había perdido interés en el diseño de bombas y, a su regreso, centró su atención a tiempo completo en la fusión como fuente de energía. Durante los siguientes meses, Spitzer produjo una serie de informes que describen la base conceptual del stellarator, así como los posibles problemas. La serie se destaca por su profundidad; no solo incluyó un análisis detallado de las matemáticas del plasma y la estabilidad, sino que también describió una serie de problemas adicionales como calentar el plasma y tratar las impurezas.

Con este trabajo en la mano, Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener fondos para desarrollar el sistema. Esbozó un plan que constaba de tres etapas. El primero vería la construcción de un Modelo A, cuyo propósito era demostrar que se podía crear un plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que un toro. Si el modelo A tenía éxito, el modelo B intentaría calentar el plasma a temperaturas de fusión. A esto le seguiría un modelo C, que intentaría crear reacciones de fusión a gran escala. Se esperaba que toda esta serie tomara alrededor de una década.

Casi al mismo tiempo, a Jim Tuck se le presentó el concepto de pellizco mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford. Le ofrecieron un trabajo en los EE. UU. y eventualmente terminó en Los Álamos, donde familiarizó a los otros investigadores con el concepto. Cuando escuchó que Spitzer estaba promocionando el stellarator, también viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de pellizco. Consideró los planes de Spitzer 'increíblemente ambiciosos'. Sin embargo, Spitzer logró obtener $ 50,000 en fondos de la AEC, mientras que Tuck no recibió nada.

El programa de Princeton se creó oficialmente el 1 de julio de 1951. Spitzer, un ávido alpinista, propuso el nombre "Proyecto Matterhorn" porque sintió que "el trabajo en cuestión parecía difícil, como el ascenso de una montaña". Inicialmente se establecieron dos secciones, la Sección S trabajando en el stellarator bajo Spitzer y la Sección B trabajando en el diseño de bombas bajo Wheeler. Matterhorn se instaló en el nuevo campus de Forrestal de Princeton, un terreno de 825 acres (334 ha) que la Universidad compró al Instituto Rockefeller de Investigación Médica cuando Rockefeller se mudó a Manhattan. El terreno estaba ubicado a unas 3 millas (4,8 km) del campus principal de Princeton y ya tenía dieciséis edificios de laboratorio. Spitzer instaló la Sección S de alto secreto en una antigua conejera.

No pasó mucho tiempo antes de que los otros laboratorios comenzaran a reclamar su propia financiación. Tuck había logrado organizar algunos fondos para su Maybeatron a través de algunos presupuestos discrecionales en LANL, pero otros equipos en LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también presentaron sus ideas. La AEC finalmente organizó un nuevo departamento para todos estos proyectos, convirtiéndose en "Proyecto Sherwood".

Primeros dispositivos

Con la financiación de la AEC, Spitzer comenzó a trabajar invitando a James Van Allen a unirse al grupo y establecer un programa experimental. Allen sugirió comenzar con una pequeña "mesa" dispositivo. Esto condujo al diseño del Modelo A, que comenzó a construirse en 1952. Estaba hecho de tubos de pirex de 5 centímetros (2,0 pulgadas) de unos 350 cm (11,5 pies) de longitud total e imanes con una capacidad de unos 1000 gauss. La máquina comenzó a operar a principios de 1953 y demostró claramente un confinamiento mejorado sobre el toro simple.

Esto condujo a la construcción del Modelo B, que tenía el problema de que los imanes no estaban bien montados y tendían a moverse cuando estaban alimentados a su capacidad máxima de 50 000 gauss. Un segundo diseño también fracasó por la misma razón, pero esta máquina mostró rayos X de varios cientos de kilovoltios que sugerían un buen confinamiento. Las lecciones de estos dos diseños llevaron al B-1, que utilizó calentamiento óhmico (ver más abajo) para alcanzar temperaturas de plasma de alrededor de 100.000 grados. Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma provocaban grandes emisiones de rayos X que enfriaban rápidamente el plasma. En 1956, B-1 se reconstruyó con un sistema de vacío ultraalto para reducir las impurezas, pero descubrió que incluso en cantidades más pequeñas seguían siendo un problema grave. Otro efecto notado en el B-1 fue que durante el proceso de calentamiento, las partículas permanecían confinadas por solo unas pocas décimas de milisegundo, mientras que una vez que se apagaba el campo, las partículas restantes permanecían confinadas por hasta 10 milisegundos. Esto parece deberse a los "efectos cooperativos" dentro del plasma.

Mientras tanto, se estaba construyendo una segunda máquina conocida como B-2. Esto era similar a la máquina B-1 pero usaba energía pulsada para permitirle alcanzar una energía magnética más alta e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como bombeo magnético. Esta máquina también se modificó para agregar un sistema de ultra alto vacío. Desafortunadamente, B-2 demostró poco calentamiento por el bombeo magnético, lo cual no fue del todo inesperado porque este mecanismo requería tiempos de confinamiento más largos, y esto no se estaba logrando. Como parecía que se podía aprender poco de este sistema en su forma actual, en 1958 se envió a la feria Atoms for Peace en Ginebra. Sin embargo, cuando se modificó el sistema de calefacción, el acoplamiento aumentó drásticamente, demostrando temperaturas dentro de la sección de calefacción de hasta 1000 electronvoltios (160 aJ).

Se construyeron dos máquinas adicionales para estudiar la operación pulsada. B-64 se completó en 1955, esencialmente una versión más grande de la máquina B-1 pero impulsada por pulsos de corriente que producían hasta 15,000 gauss. Esta máquina incluía un desviador, que eliminaba las impurezas del plasma, lo que reducía en gran medida el efecto de enfriamiento de rayos X observado en las máquinas anteriores. El B-64 incluía tramos rectos en los extremos curvos que le daban un aspecto cuadriculado. Esta apariencia llevó a su nombre, era una "figura 8, al cuadrado", u 8 al cuadrado, o 64. Esto condujo a experimentos en 1956 donde la máquina se volvió a ensamblar sin torcer los tubos. permitiendo que las partículas viajen sin rotación.

B-65, terminado en 1957, se construyó usando el nuevo "pista de carreras" diseño. Este fue el resultado de la observación de que agregar bobinas helicoidales a las partes curvas del dispositivo producía un campo que introducía la rotación puramente a través de los campos magnéticos resultantes. Esto tenía la ventaja añadida de que el campo magnético incluía corte, que se sabía que mejoraba la estabilidad. B-3, también completada en 1957, era una máquina B-2 muy ampliada con vacío ultraalto y confinamiento pulsado de hasta 50 000 gauss y tiempos de confinamiento proyectados de hasta 0,01 segundos. La última de las máquinas de la serie B fue la B-66, completada en 1958, que era esencialmente una combinación del diseño de la pista de carreras de la B-65 con el tamaño y la energía más grandes de la B-3.

Desafortunadamente, todas estas máquinas más grandes demostraron un problema que se conoció como "bombeo". Este efecto estaba causando tasas de deriva de plasma que no solo eran más altas de lo que sugería la teoría clásica, sino también mucho más altas que las tasas de Bohm. La velocidad de deriva de B-3 fue tres veces mayor que la de las predicciones de Bohm en el peor de los casos, y no pudo mantener el confinamiento durante más de unas pocas decenas de microsegundos.

Modelo C

Ya en 1954, mientras continuaban las investigaciones sobre las máquinas de la serie B, el diseño del dispositivo Modelo C se estaba volviendo más definido. Surgió como una gran máquina con diseño de pista de carreras con múltiples fuentes de calor y un desviador, esencialmente un B-66 aún más grande. La construcción comenzó en 1958 y se completó en 1961. Se podía ajustar para permitir un eje menor de plasma de entre 5 y 7,5 centímetros (2,0 y 3,0 pulgadas) y tenía 1200 cm (470 pulgadas) de largo. Las bobinas de campo toroidal normalmente operaban a 35 000 gauss.

Cuando el Modelo C comenzó a operar, la información recopilada de las máquinas anteriores dejaba en claro que no sería capaz de producir fusión a gran escala. El transporte de iones a través de las líneas del campo magnético fue mucho mayor de lo que sugería la teoría clásica. Los campos magnéticos enormemente aumentados de las máquinas posteriores hicieron poco para solucionar esto, y los tiempos de confinamiento simplemente no estaban mejorando. La atención comenzó a girar hacia un énfasis mucho mayor en la comprensión teórica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb se hizo cargo del Proyecto Matterhorn de Spitzer, y el 1 de febrero el proyecto pasó a llamarse Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL).

La modificación y la experimentación continuas en el Modelo C mejoraron lentamente su funcionamiento, y los tiempos de confinamiento finalmente aumentaron para coincidir con las predicciones de Bohm. Se utilizaron nuevas versiones de los sistemas de calefacción que aumentaron lentamente las temperaturas. Notable entre estos fue la adición en 1964 de un pequeño acelerador de partículas para acelerar los iones de combustible a una energía lo suficientemente alta como para cruzar los campos magnéticos, depositando energía dentro del reactor cuando chocaron con otros iones que ya estaban dentro. Este método de calentamiento, ahora conocido como inyección de haz neutro, se ha vuelto casi universal en las máquinas de fusión por confinamiento magnético.

El Modelo C pasó la mayor parte de su historia involucrado en estudios de transporte de iones. A través del ajuste continuo del sistema magnético y la adición de los nuevos métodos de calentamiento, en 1969, el Modelo C finalmente alcanzó temperaturas de electrones de 400 eV.

Otros enfoques

Durante este período, surgieron una serie de nuevos diseños potenciales de stellarator, que presentaban un diseño magnético simplificado. El Modelo C usó bobinas helicoidales y de confinamiento separadas, ya que este fue un proceso evolutivo del diseño original que tenía solo las bobinas de confinamiento. Otros investigadores, especialmente en Alemania, notaron que la misma configuración general del campo magnético podría lograrse con una disposición mucho más simple. Esto condujo al diseño de torastron o heliotron.

En estos diseños, el campo primario es producido por un solo imán helicoidal, similar a uno de los devanados helicoidales del "clásico" estelarizador. En contraste con esos sistemas, solo se necesita un único imán, y es mucho más grande que los de los stellarators. Para producir el campo neto, un segundo conjunto de bobinas que corren de forma poloidal alrededor del exterior del imán helicoidal produce un segundo campo vertical que se mezcla con el helicoidal. El resultado es un diseño mucho más simple, ya que los imanes poloidales son generalmente mucho más pequeños y hay un amplio espacio entre ellos para llegar al interior, mientras que en el diseño original los imanes toroidales de confinamiento son relativamente grandes y dejan poco espacio entre ellos.

Otra actualización surgió al darse cuenta de que el campo total podía producirse a través de una serie de imanes independientes con la forma del campo local. Esto da como resultado una serie de imanes complejos que están dispuestos como las bobinas toroidales del diseño original. La ventaja de este diseño es que los imanes son totalmente independientes; si uno está dañado, se puede reemplazar individualmente sin afectar el resto del sistema. Además, se puede reorganizar el diseño general del campo reemplazando los elementos. Estas "bobinas modulares" son ahora una parte importante de la investigación en curso.

Estampida de Tokamak

En 1968, científicos de la Unión Soviética publicaron los resultados de sus máquinas tokamak, en particular, su último ejemplo, el T-3. Los resultados fueron tan sorprendentes que hubo un escepticismo generalizado. Para abordar esto, los soviéticos invitaron a un equipo de expertos del Reino Unido a probar las máquinas por sí mismos. Sus pruebas, realizadas con un sistema basado en láser desarrollado para el reactor ZETA en Inglaterra, verificaron las afirmaciones soviéticas de temperaturas de electrones de 1000 eV. Lo que siguió fue una "verdadera estampida" de construcción de tokamak en todo el mundo.

Al principio, los laboratorios estadounidenses ignoraron el tokamak; El propio Spitzer lo descartó de plano como un error experimental. Sin embargo, a medida que llegaron nuevos resultados, especialmente los informes del Reino Unido, Princeton se vio en la posición de tratar de defender el stellarator como una máquina experimental útil, mientras que otros grupos de todo EE. UU. clamaban por fondos para construir tokamaks. En julio de 1969, Gottlieb cambió de opinión y ofreció convertir el Modelo C en un diseño tokamak. En diciembre se cerró y se reabrió en mayo como Symmetric Tokamak (ST).

El ST inmediatamente igualó el rendimiento que se veía en las máquinas soviéticas, superando los resultados del Modelo C por más de diez veces. A partir de ese momento, PPPL fue el principal desarrollador del enfoque tokamak en los EE. UU. e introdujo una serie de máquinas para probar varios diseños y modificaciones. El Princeton Large Torus de 1975 alcanzó rápidamente varios números de rendimiento que se requerían para una máquina comercial, y se creía ampliamente que el umbral crítico de equilibrio se alcanzaría a principios de la década de 1980. Lo que se necesitaba eran máquinas más grandes y sistemas más potentes para calentar el plasma a temperaturas de fusión.

Los tokamaks son un tipo de máquina pellizcadora que difiere de los diseños anteriores principalmente en la cantidad de corriente en el plasma: por encima de un cierto umbral conocido como factor de seguridad, o q, el plasma es mucho más estable. ZETA funcionó en un q alrededor de 1⁄3< /span>, mientras que los experimentos con tokamaks demostraron que debe ser al menos 1. Las máquinas que siguieron esta regla mostraron un rendimiento notablemente mejorado. Sin embargo, a mediados de la década de 1980 desapareció el camino fácil hacia la fusión; a medida que la cantidad de corriente en las nuevas máquinas comenzó a aumentar, apareció un nuevo conjunto de inestabilidades en el plasma. Estos podrían abordarse, pero solo aumentando considerablemente la potencia de los campos magnéticos, lo que requiere imanes superconductores y enormes volúmenes de confinamiento. El costo de tal máquina fue tal que las partes involucradas se unieron para comenzar el proyecto ITER.

Regresa Stellarator

A medida que aumentaban los problemas con el enfoque tokamak, resurgió el interés por el enfoque stellarator. Esto coincidió con el desarrollo de herramientas avanzadas de planificación asistidas por computadora que permitieron la construcción de imanes complejos que se conocían anteriormente pero que se consideraban demasiado difíciles de diseñar y construir.

Los nuevos materiales y métodos de construcción han aumentado la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. Se han construido nuevos dispositivos para probar estos conceptos. Los principales ejemplos incluyen Wendelstein 7-X en Alemania, el experimento helicoidalmente simétrico (HSX) en los EE. UU. y el dispositivo helicoidal grande en Japón. W7X y LHD usan bobinas magnéticas superconductoras.

La falta de corriente interna elimina algunas de las inestabilidades del tokamak, lo que significa que el stellarator debería ser más estable en condiciones de funcionamiento similares. En el lado negativo, dado que carece del confinamiento proporcionado por la corriente que se encuentra en un tokamak, el stellarator requiere imanes más potentes para alcanzar cualquier confinamiento dado. El stellarator es una máquina inherentemente de estado estable, que tiene varias ventajas desde el punto de vista de la ingeniería.

Conceptos subyacentes

Requisitos para la fusión

Calentar un gas aumenta la energía de las partículas que contiene, por lo que al calentar un gas a cientos de millones de grados, la mayoría de las partículas que contiene alcanzan la energía necesaria para fusionarse. De acuerdo con la distribución de Maxwell-Boltzmann, algunas de las partículas alcanzarán las energías requeridas a temperaturas promedio mucho más bajas. Debido a que la energía liberada por la reacción de fusión es mucho mayor que la que se necesita para iniciarla, incluso una pequeña cantidad de reacciones puede calentar el combustible circundante hasta que se fusione también. En 1944, Enrico Fermi calculó que la reacción D-T sería autosuficiente a unos 50 000 000 grados Celsius (90 000 000 grados Fahrenheit).

Los materiales calentados más allá de unas pocas decenas de miles de grados se ionizan en sus electrones y núcleos, produciendo un estado de materia similar al gas conocido como plasma. De acuerdo con la ley de los gases ideales, como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y, por lo tanto, quiere expandirse. Para un reactor de fusión, el desafío es mantener contenido el plasma. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético, confinándolos al área definida por el campo.

Confinamiento magnético

Se puede hacer un sistema de confinamiento simple colocando un tubo dentro del núcleo abierto de un solenoide. El tubo puede evacuarse y luego llenarse con el gas necesario y calentarse hasta que se convierta en plasma. El plasma, naturalmente, quiere expandirse hacia las paredes del tubo, así como moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea líneas de campo magnético que recorren el centro del tubo y las partículas de plasma orbitan alrededor de estas líneas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Desafortunadamente, esta disposición no confinaría el plasma a lo largo de la longitud del tubo, y el plasma podría fluir libremente por los extremos.

La solución obvia a este problema es doblar el tubo en forma de toro (anillo o rosquilla). El movimiento hacia los lados permanece restringido como antes, y mientras las partículas permanecen libres para moverse a lo largo de las líneas, en este caso, simplemente circularán alrededor del eje longitudinal del tubo. Pero, como señaló Fermi, cuando el solenoide se dobla en un anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto daría lugar a un campo desigual a lo largo del tubo, y el combustible se desplazará lentamente fuera del centro. Dado que los electrones y los iones se desplazarían en direcciones opuestas, esto conduciría a una separación de carga y fuerzas electrostáticas que eventualmente superarían la fuerza magnética. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar esta deriva, proporcionando un confinamiento a largo plazo.

Concepto de estelarador

El concepto clave de Spitzer en el diseño del stellarator es que la deriva que notó Fermi podría cancelarse a través de la disposición física del tubo de vacío. En un toroide, las partículas en el borde interior del tubo, donde el campo era más fuerte, ascenderían, mientras que las del exterior descenderían (o viceversa). Sin embargo, si se hiciera que la partícula alternara entre el interior y el exterior del tubo, las derivas alternarían entre arriba y abajo y se cancelarían. La cancelación no es perfecta, dejando cierta deriva neta, pero los cálculos básicos sugirieron que la deriva se reduciría lo suficiente como para confinar el plasma el tiempo suficiente para calentarlo lo suficiente.

La sugerencia de Spitzer para hacer esto fue simple. En lugar de un toro normal, el dispositivo esencialmente se cortaría por la mitad para producir dos medios toros. Luego se unirían con dos tramos rectos entre los extremos abiertos. La clave estaba en que estaban conectados en extremos alternos de modo que la mitad derecha de uno de los toros estuviera conectada a la izquierda del otro. El diseño resultante se parecía a una figura 8 cuando se ve desde arriba. Debido a que los tubos rectos no podían pasar entre sí, el diseño no quedaba plano, los toros en cada extremo tenían que estar inclinados. Esto significó que la cancelación de deriva se redujo aún más, pero nuevamente, los cálculos sugirieron que el sistema funcionaría.

Para comprender cómo funciona el sistema para contrarrestar la deriva, considere la trayectoria de una sola partícula en el sistema que comienza en una de las secciones rectas. Si esa partícula está perfectamente centrada en el tubo, viajará por el centro hacia uno de los medios toros, saldrá por el centro del siguiente tubo, y así sucesivamente. Esta partícula completará un bucle alrededor de todo el reactor sin salir del centro. Ahora considere otra partícula que viaja paralela a la primera, pero inicialmente ubicada cerca de la pared interior del tubo. En este caso, entrará en el borde exterior del medio toroide y comenzará a descender. Sale de esa sección y entra en la segunda sección recta, todavía en el borde exterior de ese tubo. Sin embargo, debido a que los tubos están cruzados, cuando llega al segundo semitoroide entra en él por el borde interior. A medida que viaja a través de esta sección, vuelve a subir.

Este efecto reduciría una de las causas principales de la deriva en la máquina, pero también había que considerar otras. Aunque los iones y los electrones en el plasma rodearían las líneas magnéticas, lo harían en direcciones opuestas y a velocidades de rotación muy altas. Esto da lugar a la posibilidad de colisiones entre partículas que circulan por diferentes líneas de fuerza a medida que circulan por el reactor, lo que, por razones puramente geométricas, hace que el combustible se desplace lentamente hacia el exterior. Este proceso eventualmente hace que el combustible choque con la estructura o provoque una gran separación de carga entre los iones y los electrones. Spitzer introdujo el concepto de un desviador, un imán colocado alrededor del tubo que arrancaba la capa exterior del plasma. Esto eliminaría los iones antes de que se alejaran demasiado y golpearan las paredes. También eliminaría cualquier elemento más pesado en el plasma.

Usando cálculos clásicos, la tasa de difusión a través de las colisiones fue lo suficientemente baja como para ser mucho más baja que la deriva debida a campos desiguales en un toroide normal. Pero estudios anteriores de plasmas confinados magnéticamente en 1949 demostraron pérdidas mucho mayores y se conocieron como difusión de Bohm. Spitzer dedicó un esfuerzo considerable a considerar este problema y concluyó que la tasa anómala que veía Bohm se debía a la inestabilidad en el plasma, que creía que podía solucionarse.

Diseños alternativos

Una de las principales preocupaciones del concepto original del stellarator es que los campos magnéticos del sistema solo confinan correctamente una partícula de una masa determinada que viaja a una velocidad determinada. Las partículas que viajan más rápido o más lento no circularán de la manera deseada. Las partículas con velocidades muy bajas (correspondientes a bajas temperaturas) no están confinadas y pueden salir a la deriva hacia las paredes del tubo. Aquellos con demasiada energía pueden golpear las paredes exteriores de las secciones curvas. Para abordar estas preocupaciones, Spitzer introdujo el concepto de un desviador que se conectaría a una de las secciones rectas. Este era esencialmente un espectrómetro de masas que eliminaría las partículas que se movían demasiado rápido o demasiado lento para un confinamiento adecuado.

La limitación física de que las dos secciones rectas no pueden cruzarse significa que la transformación rotacional dentro del bucle no es de 180 grados perfectos, sino que suele estar más cerca de los 135 grados. Esto condujo a diseños alternativos en un esfuerzo por acercar el ángulo a 180. Un primer intento se incorporó al Stellarator B-2, que colocó ambas secciones curvas planas en relación con el suelo, pero a diferentes alturas. Las secciones anteriormente rectas tenían curvas adicionales insertadas, dos secciones de aproximadamente 45 grados, por lo que ahora formaban formas de S extendidas. Esto les permitió encaminarse entre sí mientras eran perfectamente simétricos en términos de ángulos.

Se introdujo una mejor solución a la necesidad de rotar las partículas en el Stellarator B-64 y B-65. Estos eliminaron el cruce y aplanaron el dispositivo en un óvalo, o como se referían a él, una pista de carreras. La rotación de las partículas se introdujo colocando un nuevo conjunto de bobinas magnéticas en el medio toroide de cada extremo, los bobinados en espiral. El campo de estas bobinas se mezcla con los campos de confinamiento originales para producir un campo mixto que gira las líneas de fuerza 180 grados. Esto hizo que el diseño mecánico del reactor fuera mucho más simple, pero en la práctica se encontró que el campo mixto era muy difícil de producir de manera perfectamente simétrica.

Los diseños modernos de stellarator generalmente usan una serie más compleja de imanes para producir un campo de una sola forma. Esto generalmente se ve como una cinta retorcida. Las diferencias entre los diseños generalmente se reducen a cómo se organizan los imanes para producir el campo y la disposición exacta del campo resultante. Se ha diseñado una amplia variedad de diseños y algunos de ellos han sido probados.

Calefacción

A diferencia del z-pinch o tokamak, el stellarator no tiene corriente eléctrica inducida dentro del plasma; a nivel macroscópico, el plasma es neutral e inmóvil, a pesar de que las partículas individuales dentro de él circulan rápidamente. En las máquinas pinch, la propia corriente es uno de los principales métodos para calentar el plasma. En el stellarator, no existe tal fuente de calor natural.

Los primeros diseños de stellarator usaban un sistema similar a los de los dispositivos pinch para proporcionar el calentamiento inicial para llevar el gas a temperaturas de plasma. Este consistía en un solo conjunto de devanados de un transformador, con el propio plasma formando el conjunto secundario. Cuando se energiza con un pulso de corriente, las partículas en la región se energizan rápidamente y comienzan a moverse. Esto trae gas adicional a la región, ionizando rápidamente toda la masa de gas. Este concepto se denominó calentamiento óhmico porque se basaba en la resistencia del gas para generar calor, de una manera similar a un calentador de resistencia convencional. A medida que aumenta la temperatura del gas, mejora la conductividad del plasma. Esto hace que el proceso de calentamiento óhmico sea cada vez menos efectivo, y este sistema está limitado a temperaturas de alrededor de 1 millón de Kelvin.

Para calentar el plasma a temperaturas más altas, Spitzer propuso una segunda fuente de calor, el sistema de bombeo magnético. Este consistía en una fuente de radiofrecuencia alimentada a través de una bobina extendida a lo largo de la cámara de vacío. La frecuencia se elige para que sea similar a la frecuencia natural de las partículas alrededor de las líneas de fuerza magnéticas, la frecuencia de ciclotrón. Esto hace que las partículas en el área ganen energía, lo que hace que orbiten en un radio más amplio. Dado que otras partículas están orbitando sus propias líneas cerca, a nivel macroscópico, este cambio de energía aparece como un aumento de la presión. De acuerdo con la ley de los gases ideales, esto resulta en un aumento de la temperatura. Al igual que el calentamiento óhmico, este proceso también se vuelve menos eficiente a medida que aumenta la temperatura, pero aún es capaz de generar temperaturas muy altas. Cuando la frecuencia se establece deliberadamente cerca de la de la circulación de iones, esto se conoce como calentamiento por resonancia de ion-ciclotrón, aunque este término no se usaba mucho en ese momento.

Problemas inherentes

El trabajo en el entonces nuevo concepto tokamak a principios de la década de 1970, especialmente por parte de Tihiro Ohkawa en General Atomics, sugirió que los toroides con relaciones de aspecto más pequeñas y plasmas no circulares tendrían un rendimiento mucho mejor. La relación de aspecto es la comparación del radio del dispositivo como un todo con el radio de la sección transversal del tubo de vacío. Un reactor ideal no tendría un agujero en el centro, minimizando la relación de aspecto. El tokamak esférico moderno lleva esto a su límite práctico, reduciendo el orificio central a un solo poste de metal, alargando la sección transversal de la tubería verticalmente, produciendo una forma general que es casi esférica y tiene una relación inferior a 2. El dispositivo MAST en el Reino Unido, uno de los más potentes de estos diseños, tiene una proporción de 1,3.

Los estelarizadores generalmente requieren imanes complejos para generar el campo deseado. En los primeros ejemplos, esto a menudo se presentaba en forma de varios conjuntos diferentes de imanes, y aunque los diseños modernos los combinan, los diseños resultantes a menudo requieren un volumen de trabajo considerable. Como resultado, los estelarizadores requieren bastante espacio de trabajo en el centro del toroide y, como resultado, también tienen relaciones de aspecto relativamente grandes. Por ejemplo, W7-X tiene una relación de aspecto de 10, lo que genera un tamaño general muy grande. Hay algunos diseños nuevos que tienen como objetivo reducir la relación de aspecto, pero estos siguen sin probarse a partir de 2021 y la reducción aún no se acerca al nivel que se ve en los tokamaks modernos.

En un diseño de producción, los imanes deberían protegerse de los neutrones de 14,1 MeV que producen las reacciones de fusión. Esto normalmente se logra mediante el uso de una manta de reproducción, una capa de material que contiene grandes cantidades de litio. Para capturar la mayoría de los neutrones, la manta debe tener entre 1 y 1,5 metros de espesor, lo que aleja los imanes del plasma y, por lo tanto, requiere que sean más potentes que los de las máquinas experimentales donde recubren el exterior del vacío. cámara directamente. Normalmente, esto se soluciona escalando la máquina a tamaños extremadamente grandes, de modo que la separación de ~10 centímetros que se encuentra en las máquinas más pequeñas se escala linealmente a aproximadamente 1 metro. Esto tiene el efecto de hacer que la máquina sea mucho más grande, creciendo a tamaños poco prácticos. Los diseños con relaciones de aspecto más pequeñas, que escalan más rápidamente, abordarían este efecto hasta cierto punto, pero los diseños de tales sistemas, como ARIES-CS, son enormes, de unos 8 metros de radio con una relación de aspecto relativamente alta de alrededor de 4,6.

Los imanes complejos del stellarator se combinan para producir la forma de campo deseada. Esto exige tolerancias de posicionamiento extremadamente altas que elevan los costos de construcción. Fue este problema el que condujo a la cancelación del Experimento Nacional Compacto de Stellarator de EE. UU., o NCSX, que era un diseño experimental de bajo aspecto con una relación de 4,4. Para que funcionara correctamente, la desviación máxima en la ubicación en toda la máquina fue de 1,5 milímetros (0,059 pulgadas). A medida que se ensambló, se descubrió que esto era imposible de lograr, incluso la flacidez natural de los componentes con el tiempo superaba el límite permitido. La construcción se canceló en 2008, lo que puso en duda el futuro del PPPL.

Finalmente, se espera que los diseños de stellarator filtren alrededor del 5 % de las partículas alfa generadas, lo que aumenta la tensión en los componentes de un reactor que miran hacia el plasma.

Calefacción por plasma

Hay varias formas de calentar el plasma (lo que debe hacerse antes de que se produzca la ignición).

Calefacción actual

El plasma es eléctricamente conductivo, y se calienta cuando se pasa una corriente a través de él (debido a la resistencia eléctrica). Sólo se utiliza para la calefacción inicial, ya que la resistencia es inversamente proporcional a la temperatura plasmática.

Olas electromagnéticas de alta frecuencia

El plasma absorbe energía cuando se aplican ondas electromagnéticas (de la misma manera que la comida en un microondas).

Calefacción por partículas neutrales

Un inyector de haz neutra hace iones y los acelera con un campo eléctrico. Para evitar ser afectados por el campo magnético del Stellarator, los iones deben ser neutralizados. Se inyectan iones neutralizados en el plasma. Su alta energía cinética es transferida a las partículas de plasma por colisiones, calentarlas.

Configuraciones

Esqueje de un estelar clásico con bobinas helicales (blancas) y bobinas de campo toroidal (verde)

Existen varias configuraciones diferentes de stellarator, que incluyen:

Estelar espacial

El diseño original de la figura-8 que utilizó la geometría para producir la transformación rotacional de los campos magnéticos.

Estelar clásico

Un diseño toroidal o en forma de pista de carreras con bobinas helicales separadas en ambos extremos para producir la rotación.

Torsatron

Un estelar con bobinas helicales continuas. También puede tener las bobinas continuas reemplazadas por una serie de bobinas discretas que producen un campo similar. El Compacto Auburn Torsatron de la Universidad Auburn es un ejemplo.

Heliotron

Un estelar en el que se utiliza una bobina helicoidal para confinar el plasma, junto con un par de bobinas de campo poloidal para proporcionar un campo vertical. Las bobinas de campo toroidal también se pueden utilizar para controlar las características de la superficie magnética. El Dispositivo Helical Grande en Japón utiliza esta configuración.

Estelar modular

Un estelar con un conjunto de bobinas modulares (separadas) y una bobina toroidal retorcida. e.g. Helically Symmetric Experiment (HSX) (and Helias (below)))

TJ-II Heliac

Heliac

A estelar de eje helicoidal, en el que el eje magnético (y el plasma) sigue un camino helicoidal para formar una helix toroidal en lugar de una forma de anillo simple. El plasma torcido induce el giro en las líneas de campo magnético para efectuar la cancelación de la deriva, y normalmente puede proporcionar más giro que el Torsatron o Heliotron, especialmente cerca del centro del plasma (eje magnético). El Heliac original consta sólo de bobinas circulares, y el heliac flexible (H-1NF, TJ-II, TU-Heliac) añade una pequeña bobina helicoidal para permitir que el giro sea variado por un factor de hasta 2.

Helias

A estelar avanzado helicoidal, utilizando un conjunto modular optimizado de bobinas diseñado para alcanzar simultáneamente altas corrientes de plasma, baja corriente de Pfirsch–Schluter y buen confinamiento de partículas energéticas; es decir, partículas alfa para escenarios de reactores. Se ha propuesto que el Helias sea el concepto estelar más prometedor para una central eléctrica, con un diseño modular de ingeniería y propiedades de plasma optimizadas, MHD y campo magnético. La Wendelstein El dispositivo 7-X se basa en una configuración de Helias de cinco períodos de campo.

Resultados recientes

Visualización de líneas de campo magnético en Wendelstein 7-X

Optimización para reducir pérdidas de transporte

El objetivo de los dispositivos de confinamiento magnético es minimizar el transporte de energía a través de un campo magnético. Los dispositivos toroidales son relativamente exitosos porque las propiedades magnéticas vistas por las partículas se promedian a medida que viajan alrededor del toro. Sin embargo, la fuerza del campo visto por una partícula generalmente varía, de modo que algunas partículas quedarán atrapadas por el efecto espejo. Estas partículas no podrán promediar las propiedades magnéticas con tanta eficacia, lo que dará como resultado un mayor transporte de energía. En la mayoría de los stellarators, estos cambios en la intensidad del campo son mayores que en los tokamaks, lo cual es una de las principales razones por las que el transporte en stellarators tiende a ser mayor que en los tokamaks.

El profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Wisconsin, David Anderson, y el asistente de investigación John Canik demostraron en 2007 que el experimento helicoidalmente simétrico (HSX) puede superar esta importante barrera en la investigación del plasma. El HSX es el primer stellarator en utilizar un campo magnético casi simétrico. El equipo diseñó y construyó el HSX con la predicción de que la cuasisimetría reduciría el transporte de energía. Como mostró la última investigación del equipo, eso es exactamente lo que hace. "Esta es la primera demostración de que la cuasisimetría funciona, y de hecho se puede medir la reducción en el transporte que se obtiene," dice Canik.

El Wendelstein 7-X más nuevo en Alemania fue diseñado para estar cerca de la omnigeneidad (una propiedad del campo magnético tal que la deriva radial media es cero), que es una condición necesaria pero no suficiente para la cuasisimetría; es decir, todos los campos magnéticos cuasimétricos son omnigéneos, pero no todos los campos magnéticos omnigéneos son cuasimétricos.