Experimento de Stellarator Compacto Nacional - National Compact Stellarator Experiment

Dibujo de diseño de NCSX

El National Compact Stellarator Experiment , NCSX en resumen, fue un experimento de energía de fusión magnética basado en el diseño de stellarator que se está construyendo en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL).

NCSX fue uno de una serie de nuevos diseños de stellarator de la década de 1990 que surgieron después de que los estudios ilustraran nuevas geometrías que ofrecían un mejor rendimiento que las máquinas más simples de las décadas de 1950 y 1960. En comparación con los tokamak más comunes , estos eran mucho más difíciles de diseñar y construir, pero producían un plasma mucho más estable, el principal problema de una fusión exitosa.

El diseño resultó ser demasiado difícil de construir, repetidamente sobrepasó su presupuesto y su cronograma. El proyecto finalmente se canceló el 22 de mayo de 2008, habiendo gastado más de $ 70 M.

Wendelstein 7-X explora muchos de los mismos conceptos que pretendía NCSX.

Historia

Estellaradores tempranos

Los stellarators son uno de los primeros conceptos de energía de fusión , diseñados originalmente por el astrofísico de Princeton Lyman Spitzer en 1952 mientras viajaban en los telesillas de Aspen . Spitzer, considerando el movimiento de los plasmas en las estrellas, se dio cuenta de que cualquier arreglo simple de imanes no confinaría un plasma dentro de una máquina; el plasma se desplazaría a través de los campos y eventualmente golpearía la nave. Su solución fue simple; al doblar la máquina con un giro de 180 grados, formando una figura de ocho en lugar de una rosquilla, el plasma se encontraría alternativamente en el interior o el exterior del recipiente, desplazándose en direcciones opuestas. La cancelación de la deriva neta no sería perfecta, pero sobre el papel, parecía que el retraso en las tasas de deriva era más que suficiente para permitir que el plasma alcanzara las condiciones de fusión.

En la práctica, esto resultó no ser así. Un problema observado en todos los diseños de reactores de fusión de la época era que los iones de plasma se desplazaban mucho más rápido de lo que predijo la teoría clásica, cientos o miles de veces más rápido. Los diseños que sugerían estabilidad del orden de segundos se convirtieron en máquinas que eran estables durante microsegundos en el mejor de los casos. A mediados de la década de 1960, todo el campo de energía de fusión parecía estancado. Fue solo la introducción en 1968 del diseño de tokamak lo que rescató el campo; Las máquinas soviéticas se desempeñaban al menos en un orden de magnitud mejor que los diseños occidentales, aunque todavía estaban muy por debajo de los valores prácticos. La mejora fue tan dramática que el trabajo en otros diseños terminó en gran medida cuando equipos de todo el mundo comenzaron a estudiar el enfoque de tokamak. Esto incluyó los últimos diseños de stellarator; el Modelo C había comenzado a operar recientemente y se convirtió rápidamente en el Simétrico Tokamak.

A fines de la década de 1980, estaba claro que, si bien el tokamak era un gran paso adelante, también presentaba nuevos problemas. En particular, la corriente de plasma que usaba el tokamak para estabilizar y calentar era en sí misma una fuente de inestabilidades a medida que aumentaba la corriente. Gran parte de los siguientes 30 años de desarrollo de tokamak se han centrado en formas de aumentar esta corriente a los niveles requeridos para mantener una fusión útil mientras se asegura que la misma corriente no provoque la ruptura del plasma.

Esteladores compactos

A medida que la magnitud del problema con el tokamak se hizo evidente, los equipos de fusión de todo el mundo comenzaron a revisar otros conceptos de diseño. Entre una serie de ideas observadas durante este proceso, el estelador en particular parecía tener varios cambios potenciales que mejorarían enormemente su rendimiento.

La idea básica del estelarizador era utilizar el diseño de los imanes para cancelar la deriva pronto, pero los diseños simples de la década de 1950 no lo hicieron en la medida necesaria. Un problema mayor fueron las inestabilidades y los efectos de colisión que aumentaron enormemente las tasas de difusión. En la década de 1980 se observó que una forma de mejorar el rendimiento del tokamak era utilizar secciones transversales no circulares para el área de confinamiento del plasma; Los iones que se mueven en estas áreas no uniformes se mezclarían y romperían la formación de inestabilidades a gran escala. Aplicar la misma lógica al stellarator parecía ofrecer las mismas ventajas. Sin embargo, como el estellarador carecía o reducía la corriente de plasma, el plasma sería más estable desde el principio.

Cuando se considera el diseño del imán necesario para lograr ambos objetivos, un camino retorcido alrededor de la circunferencia del dispositivo, así como muchos giros y mezclas más pequeños a lo largo del camino, el diseño se vuelve extremadamente complejo, mucho más allá de las capacidades de las herramientas de diseño convencionales. Fue solo mediante el uso de computadoras masivamente paralelas que los diseños pudieron estudiarse en profundidad y crear diseños de imanes adecuados. El resultado fue un dispositivo muy compacto, significativamente más pequeño en el exterior que un diseño clásico para cualquier volumen de plasma dado, con una relación de aspecto baja . Las relaciones de aspecto más bajas son muy deseables, porque permiten que una máquina de cualquier potencia dada sea más pequeña, lo que reduce los costos de construcción.

A finales de la década de 1990, los estudios sobre nuevos diseños de stellarator habían alcanzado un punto adecuado para la construcción de una máquina utilizando estos conceptos. En comparación con los esteladores de la década de 1960, las nuevas máquinas podrían usar imanes superconductores para intensidades de campo mucho más altas, ser solo un poco más grandes que el Modelo C pero tener un volumen de plasma mucho mayor y tener un área de plasma en el interior que variaba de circular a plana y hacia atrás mientras se tuerce varias veces.

Diseño NCSX

Bobinas modulares y forma de plasma predicha
Detalles de plasma
  • Radio principal: 1,4 m, relación de aspecto: 4,4,
  • Campo magnético: 1,2 T - 1,7 T (hasta 2 T en el eje durante 0,2 s)
  • campo cuasi-axisimétrico, 3 períodos de campo en total. Tiene como objetivo una beta > 0,04.
Bobinas magnéticas
  • 18 bobinas modulares (6 de cada tipo A, B, C) de alambre de cobre enrollado, enfriado con nitrógeno líquido (LN2),
  • 18 bobinas toroidales, cobre sólido refrigerado con LN2,
  • 6 pares de bobinas de campo poloidal, cobre sólido refrigerado con LN2,
  • 48 bobinas de ajuste.


Las 18 bobinas modulares tienen una forma 3D complicada, ~ 9 curvas diferentes en planos diferentes. Algunas de las bobinas necesitarían 15 minutos para volver a enfriarse entre ciclos de plasma de alta I 2 t.

Calentamiento por plasma
Debido a que el estelarizador carece de la corriente de plasma del tokamak como forma de calentamiento, el calentamiento del plasma se logra con dispositivos externos. Habrían estado disponibles hasta 12 MW de potencia de calefacción externa para la cámara NCSX, que consta de 6 MW de inyección de haz neutro tangencial y 6 MW de calefacción por radiofrecuencia (RF) (esencialmente un horno de microondas ). Hasta 3 MW de calentamiento por ciclotrón de electrones también habrían estado disponibles en futuras iteraciones del diseño.

Costo de referencia total del proyecto de $ 102 millones para la fecha de finalización de julio de 2009.

Primeros contratos realizados en 2004.

Construcción NCSX

Construcción de una bobina modular para NCSX

Con el diseño en gran parte completo, la PPPL comenzó el proceso de construcción de una máquina de este tipo, la NCSX, que probaría todos estos conceptos. El diseño utilizó dieciocho complicados imanes de cuerda manual, que luego tuvieron que ensamblarse en una máquina donde la variación máxima de la ubicación perfecta no era más de 1,5 milímetros (0,059 pulgadas) en todo el dispositivo. El recipiente de vacío que rodeaba todo esto también era muy complejo, con la complicación adicional de llevar todo el cableado para alimentar los imanes.

Las tolerancias de montaje eran muy ajustadas y requerían el uso de sistemas de metrología de última generación , incluido el Laser Tracker y el equipo de fotogrametría . Se necesitaron $ 50 millones de fondos adicionales, repartidos durante los próximos 3 años, para completar el montaje dentro de los requisitos de tolerancia. Los componentes del Stellarator se midieron con escaneo láser 3D y se inspeccionaron para diseñar modelos en múltiples etapas del proceso de fabricación.

No se pudieron lograr las tolerancias requeridas; A medida que se ensamblaban los módulos, se encontró que las piezas estaban en contacto, se doblaban una vez instaladas y otros efectos inesperados dificultaban mucho la alineación. Se trabajaron correcciones en el diseño, pero cada una retrasó aún más la finalización y requirió más fondos. (El costo estimado de 2008 fue de $ 170 millones con una finalización programada para agosto de 2013). Finalmente, se impuso una condición de pasa / no pasa, y cuando la meta no se cumplió con el presupuesto, el proyecto se canceló.

Legado

Debido a su cancelación en 2008, el proyecto ha sido citado como un estudio de caso del hipotético demonio del Caos Burocrático, que "impide que sucedan cosas buenas" en el Departamento de Energía de Estados Unidos . Su destino recuerda a otros proyectos del Departamento de Energía, como Mirror Fusion Test Facility , que se construyó pero nunca se usó, y el Superconductor Super Collider , que costó $ 2 mil millones antes de su cancelación.

Ver también

Referencias

enlaces externos