Laboratorio de Física de Plasma de Princeton

Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) es un laboratorio nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos para la física del plasma y la ciencia de la fusión nuclear. Su misión principal es la investigación y el desarrollo de la fusión como fuente de energía. Es conocido en particular por el desarrollo de los diseños stellarator y tokamak, junto con numerosos avances fundamentales en la física del plasma y la exploración de muchos otros conceptos de confinamiento de plasma.

PPPL surgió del proyecto ultrasecreto de la Guerra Fría para controlar las reacciones termonucleares, llamado Proyecto Matterhorn. El enfoque de este programa cambió de las bombas H a la energía de fusión en 1951, cuando Lyman Spitzer desarrolló el concepto stellarator y la Comisión de Energía Atómica le otorgó fondos para estudiar el concepto. Esto condujo a una serie de máquinas en las décadas de 1950 y 1960. En 1961, después de la desclasificación, el Proyecto Matterhorn pasó a llamarse Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.

Los stellarators de PPPL demostraron ser incapaces de alcanzar sus objetivos de rendimiento. En 1968, las afirmaciones de los soviéticos sobre el excelente rendimiento de sus tokamaks generaron un intenso escepticismo y, para probarlo, el stellarator Modelo C de PPPL se convirtió en un tokamak. Verificó las afirmaciones soviéticas y, desde entonces, PPPL ha sido un líder mundial en teoría y diseño de tokamak, construyendo una serie de máquinas que batieron récords, incluidas Princeton Large Torus, TFTR y muchas otras. También se construyeron docenas de máquinas más pequeñas para probar problemas y soluciones particulares, incluidos ATC, NSTX y LTX.

PPPL está ubicado en el campus de Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro Township, Nueva Jersey.

Historia

Formación

En 1950, John Wheeler estaba montando un laboratorio secreto de investigación de la bomba H en la Universidad de Princeton. Lyman Spitzer, Jr., un ávido alpinista, estaba al tanto de este programa y sugirió el nombre "Proyecto Matterhorn".

Spitzer, profesor de astronomía, estuvo involucrado durante muchos años en el estudio de gases enrarecidos muy calientes en el espacio interestelar. Mientras partía para un viaje de esquí a Aspen en febrero de 1951, su padre lo llamó y le dijo que leyera la portada del New York Times. El periódico tenía una historia sobre las afirmaciones publicadas el día anterior en Argentina de que un científico alemán relativamente desconocido llamado Ronald Richter había logrado la fusión nuclear en su Proyecto Huemul. Spitzer finalmente desestimó estas afirmaciones y luego se demostró que eran erróneas, pero la historia lo hizo pensar en la fusión. Mientras viajaba en el telesilla en Aspen, se le ocurrió un nuevo concepto para confinar un plasma durante largos períodos para que pudiera calentarse a temperaturas de fusión. Llamó a este concepto el stellarator.

Más tarde ese año llevó este diseño a la Comisión de Energía Atómica en Washington. Como resultado de esta reunión y una revisión de la invención por parte de científicos de todo el país, la propuesta del stellarator fue financiada en 1951. Como el dispositivo produciría neutrones de alta energía, que podrían usarse para generar combustible para armas, el programa fue clasificado y llevado a cabo como parte del Proyecto Matterhorn. Matterhorn finalmente terminó su participación en el campo de bombas en 1954, y se dedicó por completo al campo de la energía de fusión.

En 1958, esta investigación de fusión magnética fue desclasificada luego de la Conferencia Internacional de las Naciones Unidas sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica. Esto generó una afluencia de estudiantes graduados deseosos de aprender lo "nuevo" la física, que a su vez influyó en el laboratorio para concentrarse más en la investigación básica.

Los primeros estelarizadores en forma de 8 incluían: Modelo-A, Modelo-B, Modelo-B2, Modelo-B3. El modelo B64 era un cuadrado con esquinas redondeadas y el modelo B65 era una configuración de pista de carreras. El último y más poderoso estelarizador en este momento fue el 'pista de carreras' Modelo C (en funcionamiento desde 1961 hasta 1969).

Tokamak

A mediados de la década de 1960, estaba claro que algo estaba fundamentalmente mal con los stellarators, ya que filtraban combustible a tasas mucho más altas de lo que predecía la teoría, tasas que se llevaban energía del plasma que estaba mucho más allá de lo que las reacciones de fusión podrían producir.. Spitzer se volvió extremadamente escéptico de que la energía de fusión fuera posible y expresó esta opinión de manera muy pública en 1965 en una reunión internacional en el Reino Unido. En la misma reunión, la delegación soviética anunció resultados unas 10 veces mejores que cualquier dispositivo anterior, lo que Spitzer descartó como un error de medición.

En la siguiente reunión en 1968, los soviéticos presentaron datos considerables de sus dispositivos que mostraban un rendimiento aún mayor, unas 100 veces el límite de difusión de Bohm. Estalló una enorme discusión entre la AEC y los distintos laboratorios sobre si esto era real. Cuando un equipo del Reino Unido verificó los resultados en 1969, la AEC sugirió que PPPL convirtiera su Modelo C en un tokamak para probarlo, ya que el único laboratorio dispuesto a construir uno desde cero, Oak Ridge, necesitaría algo de tiempo para construir el suyo. Al ver la posibilidad de ser pasado por alto en el campo de fusión, PPPL finalmente acordó convertir el Modelo C en lo que se convirtió en el Symmetric Tokamak (ST), verificando rápidamente el enfoque.

Dos pequeñas máquinas siguieron al ST, explorando formas de calentar el plasma, y luego el Princeton Large Torus (PLT) para probar si la teoría de que las máquinas más grandes serían más estables era cierta. A partir de 1975, PLT verificó estas "leyes de escala" y luego agregó la inyección de haz neutral de Oak Ridge que dio como resultado una serie de temperaturas de plasma récord, que finalmente alcanzaron los 78 millones de Kelvin, mucho más de lo que se necesitaba para un sistema práctico de energía de fusión. Su éxito fue una gran noticia.

Con esta serie de éxitos, PPPL no tuvo problemas para ganar la licitación para construir una máquina aún más grande, una diseñada específicamente para alcanzar el "punto de equilibrio" mientras funciona con un combustible de fusión real, en lugar de un gas de prueba. Esto produjo el reactor de prueba de fusión Tokamak, o TFTR, que se completó en 1982. Después de un largo período de adaptación, TFTR comenzó a aumentar lentamente la temperatura y la densidad del combustible, mientras introducía gas deuterio como combustible. En abril de 1986, demostró una combinación de densidad y confinamiento, el llamado producto triple de fusión, mucho más allá de lo que se necesitaba para un reactor práctico. En julio alcanzó una temperatura de 200 millones de grados, mucho más de lo que se necesitaba. Sin embargo, cuando el sistema se hizo funcionar con ambas condiciones al mismo tiempo, un triple producto y una temperatura lo suficientemente altos, el sistema se volvió inestable. Tres años de esfuerzo no lograron abordar estos problemas y TFTR nunca alcanzó su objetivo. El sistema continuó realizando estudios básicos sobre estos problemas hasta su cierre en 1997. A partir de 1993, TFTR fue el primero en el mundo en utilizar mezclas 50/50 de deuterio-tritio. En 1994 produjo una potencia de fusión sin precedentes de 10,7 megavatios.

Diseños posteriores

En 1999, el National Spherical Torus Experiment (NSTX), basado en el concepto de tokamak esférico, entró en funcionamiento en el PPPL. Los científicos del laboratorio están colaborando con investigadores en ciencia y tecnología de fusión en otras instalaciones, tanto nacionales como extranjeras. El personal está aplicando los conocimientos adquiridos en la investigación de la fusión a una serie de áreas teóricas y experimentales que incluyen la ciencia de los materiales, la física solar, la química y la fabricación.

El calentamiento de paridad impar se demostró en el experimento PFRC-1 de 4 cm de radio en 2006. PFRC-2 tiene un radio de plasma de 8 cm. Los estudios de calentamiento de electrones en PFRC-2 alcanzaron 500 eV con longitudes de pulso de 300 ms.

En 2015, PPPL completó una actualización a NSTX para producir NSTX-U que la convirtió en la instalación de fusión experimental, o tokamak, más poderosa de su tipo en el mundo.

En 2017, el grupo recibió una subvención NIAC Fase II junto con dos STTR de la NASA que financiaron el subsistema de RF y el subsistema de bobina superconductora.

Directores

En 1961, Gottlieb se convirtió en el primer director del renombrado Laboratorio de Física de Plasma de Princeton.

• 1951-1961: Lyman Spitzer, director del Proyecto Matterhorn
• 1961-1980: Melvin B. Gottlieb
• 1981-1990: Harold Fürth
• 1991-1996: Ronald C. Davidson
• 1997 (enero a julio): John A. Schmidt, director interino
• 1997-2008: Robert J. Goldston
• 2008–2016: Stewart C. Prager
• 2016–2017: Terrence K. Brog (interim)
• 2017–2018: Richard J. Hawryluk (interim)
• 2018–presente: Sir Steven Cowley, 1 de julio de 2018

Cronología de los principales proyectos de investigación y experimentos

Otros experimentos

• Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER)

Ciencia y tecnología del plasma

• Dinámica de Beam y Plasma Nonneutral
• Laboratorio para Plasma Nanosynthesis (LPN)

Física teórica del plasma

• DOE Scientific Simulation Initiative
• U.S. MHD Working Group
• Consorcio Teoría de Campo Invertido (FRC)
• Tokamak Physics Códigos de Diseño y Análisis
• TRANSP Código
• National Transport Code Collaboration (NTCC) Modules Library

Transporte

La ruta 3 de Tiger Transit va hasta el campus de Forrestal y termina en PPPL.