Fusión por confinamiento magnético - Magnetic confinement fusion
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La fusión por confinamiento magnético es un enfoque para generar energía de fusión termonuclear que utiliza campos magnéticos para confinar el combustible de fusión en forma de plasma . El confinamiento magnético es una de las dos ramas principales de la investigación de la energía de fusión , junto con la fusión por confinamiento inercial . El enfoque magnético comenzó en la década de 1940 y absorbió la mayor parte del desarrollo posterior.
Las reacciones de fusión combinan núcleos atómicos ligeros como el hidrógeno para formar otros más pesados como el helio , produciendo energía. Para superar la repulsión electrostática entre los núcleos, estos deben tener una temperatura de decenas de millones de grados, creando un plasma . Además, el plasma debe estar contenido a una densidad suficiente durante un tiempo suficiente, según lo especificado por el criterio de Lawson (producto triple).
La fusión por confinamiento magnético intenta utilizar la conductividad eléctrica del plasma para contenerlo a través de la interacción con campos magnéticos. La presión magnética compensa la presión del plasma. Desarrollar una disposición adecuada de campos que contengan el combustible sin excesivas turbulencias o fugas es el principal desafío de esta tecnología.
Historia
El desarrollo de la energía de fusión magnética (MFE) se produjo en tres fases distintas. En la década de 1950 se creía que MFE sería relativamente fácil de lograr, lo que inició una carrera para construir una máquina adecuada. A finales de la década de 1950, estaba claro que la turbulencia y las inestabilidades del plasma eran problemáticas, y durante la década de 1960, "el estancamiento", el esfuerzo se centró en una mejor comprensión de la física del plasma.
En 1968, un equipo soviético inventó el dispositivo de confinamiento magnético tokamak , que demostró un rendimiento diez veces mejor que las alternativas y se convirtió en el enfoque preferido.
La construcción de una planta de fusión generadora de energía de 500 MW con este diseño, el ITER , comenzó en Francia en 2007. Su programa más reciente es que comience a operar en 2025.
Plasma
Cuando se inyecta combustible en un reactor de fusión, se pueden crear poderosas ondas "rebeldes" que pueden hacer que escape del confinamiento. Estas ondas pueden reducir la eficiencia o incluso detener la reacción de fusión. Los modelos matemáticos pueden determinar la probabilidad de una onda deshonesta y pueden usarse para calcular el ángulo exacto de una contra-onda para cancelarla.
Las islas magnéticas son anomalías en las que las líneas del campo magnético se separan del resto del campo y forman un tubo, lo que permite que escape el combustible. La presencia de grandes islas magnéticas interrumpe la fusión. La inyección de gránulos de deuterio congelados en la mezcla de combustible puede causar suficiente turbulencia para perturbar las islas.
Tipos
Espejos magnéticos
Un área importante de investigación en los primeros años de la investigación de la energía de fusión fue el espejo magnético . La mayoría de los primeros dispositivos de espejo intentaron confinar el plasma cerca del foco de un campo magnético no plano generado en un solenoide con la intensidad del campo aumentada en cada extremo del tubo. Para escapar del área de confinamiento, los núcleos tenían que entrar en un área anular pequeña cerca de cada imán. Se sabía que los núcleos escaparían a través de esta área, pero al agregar y calentar combustible continuamente, se pensó que esto podría superarse.
En 1954, Edward Teller dio una charla en la que describió un problema teórico que sugería que el plasma también escaparía rápidamente de lado a través de los campos de confinamiento. Esto ocurriría en cualquier máquina con campos magnéticos convexos, que existían en el centro del área del espejo. Las máquinas existentes tenían otros problemas y no era obvio si esto estaba ocurriendo. En 1961, un equipo soviético demostró de manera concluyente que esta inestabilidad de la flauta estaba ocurriendo, y cuando un equipo de EE. UU. Declaró que no veían este problema, los soviéticos examinaron su experimento y notaron que se debía a un simple error de instrumentación.
El equipo soviético también introdujo una posible solución, en forma de "barras Ioffe". Estos doblaron el plasma en una nueva forma que era cóncava en todos los puntos, evitando el problema que Teller había señalado. Esto demostró una clara mejora en el confinamiento. Luego, un equipo del Reino Unido introdujo una disposición más simple de estos imanes que llamaron "pelota de tenis", que fue adoptada en los Estados Unidos como "béisbol". Se probaron varias máquinas de la serie de béisbol y mostraron un rendimiento mucho mejor. Sin embargo, los cálculos teóricos mostraron que la cantidad máxima de energía que podrían producir sería aproximadamente la misma que la energía necesaria para hacer funcionar los imanes. Como máquina generadora de energía, el espejo parecía un callejón sin salida.
En la década de 1970, se desarrolló una solución. Al colocar una bobina de béisbol en cada extremo de un solenoide grande, todo el conjunto podría contener un volumen mucho mayor de plasma y, por lo tanto, producir más energía. Comenzaron los planes para construir un dispositivo grande con este diseño de "espejo en tándem", que se convirtió en la Instalación de prueba de fusión de espejos (MFTF). Como nunca antes había probado este diseño, se construyó una máquina más pequeña, el Tandem Mirror Experiment (TMX) para probar este diseño. TMX demostró una nueva serie de problemas que sugerían que MFTF no alcanzaría sus objetivos de rendimiento, y durante la construcción, MFTF se modificó a MFTF-B. Sin embargo, debido a los recortes presupuestarios, un día después de que se completó la construcción del MFTF, se suspendió. Los espejos han experimentado poco desarrollo desde entonces.
Máquinas toroidales
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Pellizcar en Z
El primer esfuerzo real para construir un reactor de fusión de control utilizó el efecto pellizco en un contenedor toroidal. Se utilizó un gran transformador que envolvía el recipiente para inducir una corriente en el plasma del interior. Esta corriente crea un campo magnético que comprime el plasma en un anillo delgado, "pellizcándolo". La combinación del calentamiento Joule por la corriente y el calentamiento adiabático a medida que aprieta eleva la temperatura del plasma al rango requerido en decenas de millones de grados Kelvin.
Construidas por primera vez en el Reino Unido en 1948, y seguidas por una serie de máquinas cada vez más grandes y poderosas en el Reino Unido y los EE. UU., Todas las primeras máquinas demostraron estar sujetas a poderosas inestabilidades en el plasma. Entre ellos se destacó la inestabilidad de las torceduras , que hizo que el anillo pellizcado se sacudiera y golpeara las paredes del contenedor mucho antes de que alcanzara las temperaturas requeridas. Sin embargo, el concepto era tan simple que se hizo un esfuerzo enorme para abordar estos problemas.
Esto llevó al concepto de "pellizco estabilizado", que agregaba imanes externos para "darle al plasma una columna vertebral" mientras se comprimía. La máquina más grande de este tipo fue el reactor ZETA del Reino Unido , completado en 1957, que pareció producir con éxito la fusión. Solo unos meses después de su anuncio público en enero de 1958, estas afirmaciones tuvieron que ser retractadas cuando se descubrió que los neutrones que se veían eran creados por nuevas inestabilidades en la masa de plasma. Otros estudios mostraron que cualquier diseño de este tipo estaría plagado de problemas similares, y la investigación que utiliza el enfoque z-pinch terminó en gran medida.
Estelaradores
Uno de los primeros intentos de construir un sistema de confinamiento magnético fue el stellarator , introducido por Lyman Spitzer en 1951. Básicamente, el stellarator consiste en un toro que ha sido cortado por la mitad y luego unido con secciones rectas "cruzadas" para formar una figura de 8 . Esto tiene el efecto de propagar los núcleos de adentro hacia afuera mientras orbita el dispositivo, cancelando así la deriva a través del eje, al menos si los núcleos orbitan lo suficientemente rápido.
No mucho después de la construcción de las primeras máquinas en forma de 8, se notó que se podía lograr el mismo efecto en una disposición completamente circular agregando un segundo conjunto de imanes enrollados helicoidalmente a cada lado. Esta disposición generó un campo que se extendió solo parcialmente hacia el plasma, que demostró tener la ventaja significativa de agregar "cizallamiento", lo que suprimió la turbulencia en el plasma. Sin embargo, a medida que se construyeron dispositivos más grandes en este modelo, se vio que el plasma se escapaba del sistema mucho más rápido de lo esperado, mucho más rápido de lo que se podía reemplazar.
A mediados de la década de 1960, parecía que el enfoque de stellarator era un callejón sin salida. Además de los problemas de pérdida de combustible, también se calculó que una máquina generadora de energía basada en este sistema sería enorme, la mayor parte de mil pies de largo. Cuando se introdujo el tokamak en 1968, el interés en el stellarator desapareció y el último diseño de la Universidad de Princeton , el Modelo C, finalmente se convirtió en el simétrico Tokamak .
Los Stellarators han experimentado un renovado interés desde el cambio de milenio, ya que evitan varios problemas encontrados posteriormente en el tokamak. Se han construido modelos más nuevos, pero estos permanecen aproximadamente dos generaciones por detrás de los últimos diseños de tokamak.
Tokamaks
A fines de la década de 1950, los investigadores soviéticos notaron que la inestabilidad de las torceduras se suprimiría fuertemente si los giros en el camino fueran lo suficientemente fuertes como para que una partícula viajara alrededor de la circunferencia del interior de la cámara más rápidamente que alrededor de la longitud de la cámara. Esto requeriría que se redujera la corriente de pellizco y que los imanes estabilizadores externos se hicieran mucho más fuertes.
En 1968, la investigación rusa sobre el tokamak toroidal se presentó por primera vez en público, con resultados que superaron con creces los esfuerzos existentes de cualquier diseño competidor, magnético o no. Desde entonces, la mayor parte del esfuerzo en el confinamiento magnético se ha basado en el principio tokamak. En el tokamak, una corriente es impulsada periódicamente a través del plasma mismo, creando un campo "alrededor" del toro que se combina con el campo toroidal para producir un campo sinuoso de alguna manera similar al de un estelarizador moderno, al menos en el sentido de que los núcleos se mueven desde del interior al exterior del dispositivo a medida que fluyen a su alrededor.
En 1991, START se construyó en Culham , Reino Unido , como el primer tokamak esférico especialmente diseñado . Esto era esencialmente un spheromak con una varilla central insertada. START produjo resultados impresionantes, con valores de β de aproximadamente el 40%, tres veces más que los producidos por los tokamaks estándar en ese momento. El concepto se ha ampliado a corrientes de plasma más altas y tamaños más grandes, con los experimentos NSTX (EE. UU.), MAST (Reino Unido) y Globus-M (Rusia) actualmente en ejecución. Los tokamaks esféricos tienen propiedades de estabilidad mejoradas en comparación con los tokamaks convencionales y, como tal, el área está recibiendo una atención experimental considerable. Sin embargo, los tokamaks esféricos hasta la fecha han tenido un campo toroidal bajo y, como tales, no son prácticos para los dispositivos de neutrones de fusión.
Toroides compactos
Los toroides compactos, por ejemplo, el spheromak y la configuración de campo invertido , intentan combinar el buen confinamiento de las configuraciones de superficies magnéticas cerradas con la simplicidad de las máquinas sin un núcleo central. Uno de los primeros experimentos de este tipo en la década de 1970 fue Trisops . (Trisops disparó dos anillos theta-pinch uno hacia el otro).
Otro
Algunas configuraciones más novedosas producidas en máquinas toroidales son el pellizco de campo inverso y el Experimento del dipolo levitado .
La Marina de los EE. UU. También reclamó un "Dispositivo de fusión por compresión de plasma" capaz de niveles de potencia TW en una solicitud de patente de EE. UU. De 2018:
"Es una característica de la presente invención proporcionar un dispositivo de fusión por compresión de plasma que puede producir energía en el rango de gigavatios a teravatios (y más), con una potencia de entrada en el rango de kilovatios a megavatios".
Energía de fusión magnética
Todos estos dispositivos se han enfrentado a problemas considerables al ser ampliados y en su enfoque hacia el criterio de Lawson . Un investigador ha descrito el problema del confinamiento magnético en términos simples, comparándolo con apretar un globo: el aire siempre intentará "saltar" en algún otro lugar. La turbulencia en el plasma ha demostrado ser un problema importante, ya que hace que el plasma escape del área de confinamiento y toque potencialmente las paredes del recipiente. Si esto sucede, un proceso conocido como " pulverización catódica ", las partículas de gran masa del contenedor (a menudo acero y otros metales) se mezclan con el combustible de fusión, bajando su temperatura.
En 1997, los científicos de las instalaciones de Joint European Torus (JET) en el Reino Unido produjeron 16 megavatios de energía de fusión. Los científicos ahora pueden ejercer cierto control sobre la turbulencia del plasma y la fuga de energía resultante, considerada durante mucho tiempo una característica inevitable e intratable de los plasmas. Existe un mayor optimismo de que la presión de plasma por encima de la cual el plasma se desmonta ahora puede hacerse lo suficientemente grande como para mantener una velocidad de reacción de fusión aceptable para una central eléctrica. Se pueden inyectar y dirigir ondas electromagnéticas para manipular los caminos de las partículas de plasma y luego producir las grandes corrientes eléctricas necesarias para producir los campos magnéticos para confinar el plasma. Estas y otras capacidades de control provienen de avances en la comprensión básica de la ciencia del plasma en áreas como la turbulencia del plasma, la estabilidad macroscópica del plasma y la propagación de ondas de plasma. Gran parte de este progreso se ha logrado con un énfasis particular en el tokamak .