Configuración de campo invertido - Field-reversed configuration

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

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

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

Los FRC fueron un área importante de investigación en los años sesenta y en los setenta, pero tuvieron problemas para convertirse en productos triples de fusión prácticos . Los intereses regresaron en la década de 1990 y, a partir de 2019, los FRC eran un área de investigación activa.

Historia

El FRC se observó por primera vez en laboratorios a fines de la década de 1950 durante experimentos de pellizco theta con un campo magnético de fondo invertido.

Los primeros estudios se realizaron en el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) en la década de 1960. Se recopilaron datos considerables, con más de 600 artículos publicados. Casi toda la investigación se llevó a cabo durante el Proyecto Sherwood en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) de 1975 a 1990, y durante 18 años en el Laboratorio de Física del Plasma de Redmond de la Universidad de Washington , con el experimento Large s (LSX).

La investigación posterior se llevó a cabo en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), el Instituto de Tecnología de Fusión (FTI) de la Universidad de Wisconsin-Madison , el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y la Universidad de California en Irvine .

Las empresas privadas ahora estudian los FRC para la generación de electricidad, incluidas General Fusion , TAE Technologies y Helion Energy .

El Electrode Lorentz Thruster (ELF) desarrollado por MSNW fue un intento de diseñar un dispositivo de propulsión espacial. ELF fue un candidato en el programa avanzado de propulsión eléctrica NextSTEP de la NASA, junto con el X-3 Nested-Channel Hall Thruster y VASIMR antes de que MSNW se disolviera.

Aplicaciones

La aplicación principal es la generación de energía de fusión.

El FRC también se considera para la exploración del espacio profundo , no solo como una posible fuente de energía nuclear, sino como un medio para acelerar un propulsor a altos niveles de impulso específico (I _sp ) para naves espaciales de propulsión eléctrica y cohetes de fusión , con interés expresado por la NASA .

Comparaciones

La diferencia entre un FRC y un Spheromak

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

Las configuraciones de campo invertido y las esferomas se conocen juntas como toroides compactos . Spheromak y FRC difieren en que un spheromak tiene un campo toroidal adicional. Este campo toroidal puede correr en la misma dirección o en la opuesta que el plasma en rotación. En el spheromak, la fuerza del campo magnético toroidal es similar a la del campo poloidal . Por el contrario, el FRC tiene poco o ningún componente de campo toroidal y está confinado únicamente por un campo poloidal. La falta de un campo toroidal significa que el FRC no tiene helicidad magnética y que tiene una beta alta . La beta alta hace que el FRC sea atractivo como reactor de fusión y muy adecuado para combustibles aneutrónicos debido al bajo campo magnético requerido. Los Spheromaks tienen β  ≈ 0.1 mientras que un FRC típico tiene β  ≈ 1.

Formación

Las dimensiones de un FRC, incluido el parámetro S.

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

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

Se sabe que los haces neutrales impulsan la corriente en los Tokamaks inyectando directamente partículas cargadas. Los FRC también se pueden formar, mantener y calentar mediante la aplicación de haces neutrales. En tales experimentos, como antes, una bobina cilíndrica produce un campo magnético axial uniforme y el gas se introduce e ioniza, creando un plasma de fondo. A continuación, se inyectan partículas neutras en el plasma. Se ionizan y las partículas más pesadas con carga positiva forman un anillo de corriente que invierte el campo magnético.

Los Spheromaks son configuraciones similares a FRC con campo magnético toroidal finito. Los FRC se han formado a través de la fusión de esferomas de campo toroidal opuesto y cancelador.

También se han utilizado campos magnéticos giratorios para impulsar la corriente. En tales experimentos, como antes, el gas se ioniza y se produce un campo magnético axial. Un campo magnético giratorio es producido por bobinas magnéticas externas perpendiculares al eje de la máquina, y la dirección de este campo gira alrededor del eje. Cuando la frecuencia de rotación está entre las frecuencias giroscópicas de iones y electrones, los electrones en el plasma co-rotan con el campo magnético (son "arrastrados"), produciendo corriente e invirtiendo el campo magnético. Más recientemente, se han utilizado los denominados campos magnéticos rotativos de paridad impar para preservar la topología cerrada del FRC.

Órbitas de una sola partícula

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

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

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

Estabilidad del plasma

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

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

• Los modos de inclinación y cambio . Esas inestabilidades pueden mitigarse incluyendo un conductor estabilizador pasivo o formando plasmas muy achatados (es decir, plasmas muy alargados) o creando un campo toroidal autogenerado. El modo de inclinación también se ha estabilizado en experimentos de FRC aumentando los giroscopios de iones.
• La inestabilidad magnetorrotacional . Este modo provoca una distorsión elíptica rotatoria del límite del plasma y puede destruir el FRC cuando el plasma distorsionado entra en contacto con la cámara de confinamiento. Los métodos de estabilización exitosos incluyen el uso de un campo estabilizador cuadrupolo y los efectos de un campo magnético giratorio (RMF).

Experimentos

Propulsión de naves espaciales

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

Ver también

• Lista de artículos sobre plasma (física)

enlaces externos

• Google techtalks: Fusión nuclear: energía limpia para los próximos cien siglos
• Universidad de Washington "Introducción a FRC"

Referencias