Stellarator

Stellarator

Eixemple de disseny de stellarator: Wendelstein 7-X. Un conjunt de bobines (blava) rodeja al plasma (groc), a on es resalta una llínea de camp magnètic (vert).

Preparant les bobines del stellarator experimental Wendelstein 7-X en Greifswald, Alemània.

Un stellarator de tipo HSX

Un stellarator (del llatí: stella, "estrela" i l'anglés: generator, "generador") és un dispositiu d'energia de fusió que confina el plasma per mig d'imans externs. És un dels molts tipos de dispositius de fusió de confinament magnètic i un dels primers que es varen inventar. És un dels primers dispositius d'energia de fusió dissenyats pel ser humà.

El stellarator va ser inventat pel científic nortamericà Lyman Spitzer Jr. en 1951. Gran part del seu desenroll inicial va córrer a càrrec de l'equip de Spitzer en lo que més vesprada es convertiria en el Laboratori de Física del Plasma de Princeton. El model A de Spitzer va entrar en funcionament en 1953 i va demostrar la capacitat de confinament del plasma. Despuix va haver models més grans, pero estos varen mostrar un rendiment deficient, en pèrdues de plasma a taxes que excedien les prediccions teòriques. A principis de la década de 1960, el foc va tornar a la física teòrica. A mitan de la década de 1960, Spitzer estava convençut de que el stellarator igualava la taxa de difusió de Bohm, lo que apuntava a que mai seria un dispositiu de fusió pràctic.

El disseny del tokamak de l'URSS augurava un gran alvanç sobre rendiment. El Laboratori de Física del Plasma de Princeton va transformar el stellarator model C en el tokamak simètric per a comprovar els seus resultats, i va conseguir superar-los. En Estats Units, els treballs en els stellarator a gran escala varen ser substituïts pels tokamak. L'investigació va continuar en Alemània i Japó, abordant molts dels problemes inicials, i va començar a acostar-se al rendiment dels primers tokamak.

A llarc determini, es va comprovar que el tokamak presentava problemes similars als dels stellarator (encara que per distints motius). A partir de la década de 1990, es va revivar l'interés pels stellarator. Les noves tècniques varen permetre aumentar la calitat i l'intensitat del camp magnètic, lo que va millorar el seu rendiment.

Història

Treballe previ

En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck i Ernest Rutherford varen ser els primers en provocar una fusió, utilisant un accelerador de partícules per a llançar núcleus de deuteri contra una làmina metàlica que contenia deuteri, liti o atres elements. Estos experiments els varen permetre medir la secció eficaç nuclear de diverses reaccions de fusió entre núcleus. Varen determinar que la reacció triti-deuteri es produïa a una energia inferior a la de qualsevol atre combustible, alcançant un màxim d'uns 100 000 electronvoltios (100 keV).

100 keV corresponen a una temperatura aproximada d'un millardo de Kelvin. Tal i com descriu l'estadística de Maxwell-Boltzmann, una cisterna de gas a una temperatura molt més baixa seguirà contenint algunes partícules en estes energies. Ya que les reaccions de fusió lliberen tanta energia, inclús un chicotet número d'estes reaccions pot lliberar l'energia suficient per a mantindre el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi va demostrar que açò ocorreria a una temperatura del gas d'uns 50 millons de graus Celsius, dins del ranc dels sistemes experimentals existents. El problema clau era confinar el plasma; cap recipient material podia soportar eixes temperatures. No obstant, els plasmes són conductors d'electricitat, lo que els somet a camps elèctrics i magnètics.

En un camp magnètic, els electrons i els núcleus del plasma giren al voltant de les llínees de força magnètiques. Una forma de confinament consistix en colocar un tubo de combustible dins del núcleu obert d'un solenoide. Un solenoide crea llínees magnètiques que discorren pel seu centre, i el combustible es mantindria alluntat de les parets al orbitar al voltant d'estes llínees de força. Pero esta disposició no confina el plasma a lo llarc del tubo. La solució òbvia és doblar el tubo per a donar-li forma de bou (rosquilla), de modo que qualsevol llínea forme un círcul i les partícules puguen girar indefinidament.

No obstant, per raons purament geomètriques, els imans que rodegen el bou estan més pròxims entre sí en la curva interior, dins del «forat del dònut». Fermi va senyalar que açò provocaria que els electrons s'alluntaren dels núcleus, lo que acabaria generant grans tensions. El camp elèctric resultant faria que l'anell de plasma de l'interior del bou s'expandira fins a chocar contra les parets del reactor.

Stellarator

Despuix de la Segona Guerra Mundial, els investigadors varen començar a estudiar formes de confinar el plasma. George Paget Thomson, del Imperial College de Londres, va propondre un sistema conegut hui com «z-pinch», que consistix en fer passar una corrent a través del plasma. Per la força de Lorentz, esta corrent genera un camp magnètic que atrau el plasma cap a sí mateixa, mantenint-ho alluntat de les parets. Açò elimina la necessitat d'imans externs, evitant aixina el problema de Fermi. A finals de la década de 1940, varis equips de Regne Unit varen construir una série de menuts dispositius experimentals utilisant esta tècnica.

Ronald Richter va ser un científic alemà que va emigrar a Argentina. El seu «termotrón» utilisava arcs elèctrics i compressió mecànica (ones sonores) per al calfament i el confinament. Va convéncer a Juan Perón per a que finançara el desenroll d'un reactor experimental. Conegut com el proyecte Huemul, este es va completar en 1951. Richter es va convéncer a sí mateix de que s'havia conseguit la fusió, a pesar de les discrepàncies en atres investigadors.

Mentres es preparava per a un viage d'esquí a Aspen, Spitzer va rebre una cridada telefònica del seu pare, qui li va parlar d'un artícul sobre el proyecte Huemul publicat en el New York Claves. Spitzer va entendre que allò no funcionaria perque el sistema no podia proporcionar suficient energia. Llavors va escomençar a barallar alternatives, i se li va ocórrer l'idea del stellarator mentres pujava en un telesilla.

El seu enfocament va consistir en modificar la disposició geomètrica del bou per a donar resposta a les inquietuts de Fermi. En girar un extrem del bou sobre l'atre, formant una disposició en forma de 8 en lloc d'un círcul, les llínees magnètiques s'acostaven i s'alluntaven del centre del bou. Una partícula que orbita al voltant d'estes llínees es desplaça constantment cap a dins i cap a fòra a lo llarc de l'eix menor del bou, desplaçant-se cap a dalt durant la mitat d'una òrbita i invertint el sentit en l'atra. Esta cancelació, que no és perfecta, semblava una forma d'atrapar el combustible fins que alcançara les temperatures requerides.

Proyecte Matterhorn

Un laboratori d'investigació secret de l'Universitat de Princeton va continuar en els treballs teòrics sobre les bombes d'hidrogen a partir de 1951. Spitzer va ser invitat a participar en este programa, donada la seua investigació prèvia sobre els plasmes interestelares.

Spitzer va perdre llavors interés en el disseny de bombes i va centrar la seua atenció en la fusió com a font d'energia. Spitzer va elaborar una série d'informes en els que esbossava les bases conceptuals del stellarator, aixina com els possibles problemes. La série destaca per la seua profunditat; incloïa un anàlisis detallat de les matemàtiques del plasma i l'estabilitat, junt en el calfament del plasma i el tractament de les impurees.

Spitzer va començar a pressionar a la Comissió d'Energia Atòmica dels Estats Units (AEC) per a obtindre finançació. El seu pla constava de tres fases, cada una de les quals depenia de l'èxit de la fase anterior a lo llarc d'una década:

• El model A buscava demostrar que es podia crear plasma i que el seu temps de confinament era millor que el d'un bou.
• El model B calfaria el plasma fins a temperatures de fusió.
• El model C intentaria crear reaccions de fusió a gran escala.

Per aquella mateixa época, Jim Tuck havia conegut el concepte del «pinch» mentres treballava en el Laboratori Clarendon de l'Universitat d'Oxford. Finalment va acabar en Els Àlbers, a on va donar a conéixer el concepte al restant d'investigadors. Quan es va enterar de que Spitzer estava promovent el stellarator, va viajar a Washington per a propondre la construcció d'un dispositiu de tipo «pinch». Considerava que els plans de Spitzer eren «increiblement ambiciosos». No obstant, a Spitzer se li varen concedir 50 000 dólars, mentres que Tuck no va rebre res.

Spitzer, un ávido alpiniste, va propondre el nom de «Proyecte Matterhorn» perque considerava que «el treball que tenien entre mans semblava difícil, com l'ascens a una montanya». Inicialment es varen crear dos seccions: la secció S, que treballava en el stellarator baix la direcció de Spitzer, i la secció B, que treballava en el disseny de la bomba baixe la direcció de Wheeler. Spitzer va establir la secció S, d'alt secret, en una antiga conejera.

Els demés laboratoris varen començar llavors a pressionar per a obtindre la seua pròpia finançació. Tuck va conseguir conseguir una miqueta de finançació per a la seua Perhapsatron a través d'alguns presuposts discrecionals de el LANL, pero atres equips de el LANL, Berkeley i Oak Ridge (ORNL) també buscaven fondos. La AEC va acabar organisant el proyecte Sherwood, un nou departament per a estos proyectes.

Primers dispositius

Spitzer va invitar a James van Allen a unir-se al grup i a posar en marcha un programa experimental. Allen va sugerir començar en un dispositiu de taula. Açò va donar lloc al disseny del model A, la construcció del qual va començar en 1952. Estava fabricat en tubos de pyrex de 5 cm i una llongitut total d'uns 350 cm, i en imans capaços de generar uns 1000 Gauss. La màquina va entrar en funcionament a principis de 1953 i va demostrar clarament una millora en el confinament sobre el simple bou.

Açò va conduir al Modele B, els imans de la qual no estaven ben montats i tendien a moure's quan s'alimentaven a 50 000 Gauss. Un segon disseny va fracassar per la mateixa raó, pero esta màquina va generar rajos X de varis centenars de kilovoltios, lo que sugeria un bon confinament.

A continuació va vindre el B-1, que utilisava calfament òhmic per a alcançar uns 100 000 graus. Esta màquina va demostrar que les impurees en el plasma emetien rajos X de gran energia que gelaven el plasma. En 1956, el B-1 es va reconstruir en un sistema de buit ultraalto per a reduir les impurees, pero es va descobrir que, inclús en cantitats menors, seguien sent problemàtiques. Un atre efecte va ser que, durant el procés de calfament, les partícules permaneixien confinades solament durant unes dècimes de milisegon, mentres que, una volta apagat el camp, les partícules restants permaneixien confinades fins a 10 milisegons. Açò semblava deure's a «efectes cooperatius» dins del plasma.

El B-2 era similar a el B-1, pero utilisava energia pulsada per a alcançar una major energia magnètica i incloïa un segon sistema de calfament conegut com a «bombeig magnètic». Esta màquina es va modificar per a afegir un sistema de buit ultraalto. Desafortunadament, el B-2 va demostrar un calfament escàs pel bombeig magnètic, donats els temps de confinament més llarcs que requeria. Es va exhibir en l'exposició «Àtoms per a la Pau». No obstant, les modificacions del sistema de calfament varen aumentar l'acoplament, demostrant temperatures dins de la secció de calfament de fins a 1000 eV, al voltant de 12 millons de K.

El B-64 es va completar en 1955; era essencialment un B-1 més gran, pero alimentat per polsos que produïen fins a 15 000 Gauss. Esta màquina incloïa un «divertor», que eliminava les impurees del plasma, reduint en gran medida l'efecte de refredat per rajos X. El B-64 incloïa seccions rectes en els extrems curvos, lo que li donava un aspecte quadrat. Este aspecte li va valdre els renoms de «8 al quadrat» o «64». En 1956, la màquina es va tornar a montar sense la torsió en els tubos, lo que permetia que les partícules es desplaçaren sense rotació.

La B-65, terminada en 1957, es va construir utilisant la disposició de «pista de carreres», despuix d'observar que afegir bobines helicoidals a les parts curves del dispositiu produïa un camp que introduïa la rotació únicament a través dels camps magnètics resultants. Açò tenia la ventaja afegida de que el camp magnètic incloïa cisallament, lo que se sabia que millorava l'estabilitat.

El B-3, també terminat en 1957, era una versió ampliada de el B-2 en buit ultraalto i confinament pulsat de fins a 50 000 Gauss, en temps de confinament prevists de fins a 0,01 segons.

L'últim de la serie B va ser el B-66, terminat en 1958, que era bàsicament una combinació de la disposició en forma de pista de carreres en el major tamany i la major energia de el B-3.

Desgraciadament, estes màquines de major tamany varen mostrar el fenomen de «pump out». Este efecte va provocar taxes de deriva del plasma superiors a les sugerides per la teoria clàssica i molt més altes que les taxes de Bohm. La taxa de deriva de el B-3 va ser tres voltes superior a les pijors prediccions de Bohm, i no va conseguir mantindre el confinament durant més d'unes poques decenes de microsegons.

Model C

Ya en 1954, el disseny del model C estava prenent forma. Es va configurar com una gran pista de carreres en múltiples fonts de calfament i un «divertor», és dir, bàsicament un B-66 de major tamany. La construcció va començar en 1958 i va finalisar en 1961. Es podia ajustar per a permetre un eix menor del plasma d'entre 5 i 7,5 cm i tenia una llongitut de 1200 cm. Les bobines de camp toroidales funcionaven normalment a 35 000 Gauss.

Quan el model C va entrar en funcionament, ya se sabia que no produiria fusió a gran escala. El transport de ions a través de les llínees del camp magnètic excedia lo sugerit en la teoria clàssica. L'aument considerable dels camps magnètics no va servir de molt per a solucionar açò, i els temps de confinament no varen millorar. L'atenció es va centrar en la comprensió teòrica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb va substituir a Spitzer al front de Matterhorn, i el proyecte va passar a denominar-se Laboratori de Física del Plasma de Princeton.

L'experimentació contínua va millorar poc a poc la màquina, i els temps de confinament varen acabar aumentant fins a igualar els prevists per Bohm. En el temps, les noves versions dels sistemes de calfament varen aumentar les temperatures. Va destacar l'incorporació en 1964 d'un chicotet accelerador de partícules per a accelerar els ions de combustible fins a una energia lo suficientment alta com per a travessar els camps magnètics, depositant energia dins del reactor en colisionar en els ions que ya es trobaven en el seu interior. Este método d'injecció de fes neutre és casi universal en les màquines de fusió de confinament magnètic.

El model C es va dedicar durant la major part de la seua història a estudis sobre el transport de ions. Gràcies a l'ajust continu del sistema magnètic i a l'incorporació de nous métodos de calfament, en 1969 el model C va conseguir alcançar temperatures d'electrons de 400 eV, és dir, 4,6 millons de K.

Atres enfocaments

Els dissenys de stellarator es varen multiplicar, adoptant una disposició magnètica simplificada. El model C utilisava bobines de confinament i bobines helicoidals separades. Atres investigadors, especialment en Alemània, varen observar que es podia conseguir la mateixa configuració general del camp magnètic en una disposició alternativa, que es coneixeria com «torsatrón» o «heliotrón».

En estos dissenys, el camp principal prové d'un iman helicoidal especialment gran. Per a produir el camp net, un segon conjunt de bobines que discorren de forma poloidal al voltant de l'exterior de l'iman helicoidal genera un camp vertical que es mescla en l'helicoidal. El resultat és una disposició simplificada, ya que els imans poloidales solen ser menuts i deixen buits entre sí per a aplegar a l'interior, i la possibilitat de substituir un iman sense tindre que desarmar tot el sistema.

Aparició del tokamak

En 1968, els científics de l'Unió Soviètica varen donar a conéixer els resultats dels seus experiments en màquines tokamak, en particular en el T-3. Els resultats varen ser tan inesperats que l'escepticisme es va estendre àmpliament. Per a fer front a esta situació, els soviètics varen invitar a experts del Regne Unit a provar les màquines. En les seues proves varen utilisar un sistema làser desenrollat per al reactor ZETA en la finalitat de verificar les afirmacions soviètiques sobre temperatures d'electrons de 1000 eV. Apresuradamente es va començar a construir més màquines tokamak en tot lo món.

Al principi, els laboratoris nortamericans varen ignorar la notícia; Spitzer la va descartar com un error experimental. No obstant, a mida que sorgien més resultats, especialment els informes del Regne Unit, Princeton va defendre el stellarator mentres atres grups reclamaven fondos per a construir els seus propis tokamak. En juliol de 1969, Gottlieb va canviar d'opinió i es va oferir a convertir el model C en un tokamak. En decembre es va tancar i es va reobrir en maig com el Tokamak Simètric.

El Tokamak Simètric va igualar immediatament el rendiment de les màquines soviètiques, superant els resultats del model C en més de dèu voltes. A partir de llavors, el Laboratori de Física del Plasma de Princeton es va convertir en el principal desenrollador de l'enfocament del tokamak en EE. UU., introduint una série de màquines per a provar diversos dissenys. El Princeton Large Torus de 1975 va alcançar ràpidament varis paràmetros de rendiment requerits per a una màquina comercial, i es creïa àmpliament que el llindar crític de rendabilitat s'alcançaria a principis de la década de 1980 gràcies a màquines més grans i sistemes de calfament més potents.

Els tokamak són un tipo de màquina de compressió que es diferencia dels dissenys anteriors principalment per l'intensitat de la corrent en el plasma: per damunt d'un llindar determinat, conegut com a factor de seguritat o q, el plasma es torna més estable. El ZETA funcionava en un q d'al voltant d'1/3, mentres que els tokamak varen demostrar empíricamente que devia ser d'a lo manco 1. Les màquines que varen seguir esta regla varen mostrar rendiments superiors. No obstant, a mitan de la década de 1980, l'energia de fusió seguia sense ser una realitat; i a mida que l'intensitat de la corrent en les noves màquines va començar a aumentar, varen aparéixer noves inestabilitat en el plasma. La solució era aumentar els camps magnètics, i per a això amprar imans superconductores en cambres de confinament tan grans que solament es podien finançar per mig de proyectes internacionals com l'ITER.

Tornada del stellarator

Un gràfic que mostra l'aument del tamany i del camp magnètic dels dispositius stellarator experimentals. La forma dels gràfics indica el tipo de dispositiu.

A mida que l'enfocament del tokamak perdia força, va resorgir l'interés pels stellarator. Açò va coincidir en el desenroll de ferramentes alvançades de disseny assistit per ordenador que varen permetre la construcció d'imans complexos que, encara que es coneixien des d'abans, es consideraven massa difícils de dissenyar i construir.

Els nous materials i métodos de construcció varen aumentar la calitat i la potència dels camps magnètics, millorant el rendiment. Entre els nous dispositius construïts per a provar estos conceptes s'inclouen el Wendelstein 7-X (W7-X) en Alemània, el Helically Symmetric Experiment (HSX) en EE. UU. i el Large Helical Device (LHD) en Japó. El W7-X i el LHD utilisen bobines magnètiques superconductoras.

L'absència de corrent interna elimina algunes de les inestabilitat del tokamak, lo que va permetre que el stellarator fora més estable en condicions de funcionament similars. Ya que carix del confinament que proporciona la corrent present en un tokamak, el stellarator requerix imans més potents per a alcançar qualsevol nivell de confinament donat. El stellarator és una màquina inherentemente d'estat estacionario, lo que presenta vàries ventages des del punt de vista de l'ingenieria.

Resultats recents

En 2023, el Laboratori de Física del Plasma de Princeton va construir un dispositiu experimental utilisant principalment components comercials per un preu de 640 000 dólars. El seu núcleu és una cambra de buit de vidre rodejada per una carcassa de nailon impresa en 3D que subjecta 9920 imans permanents i està envolta per setze electroimanes.

Métodos per a calfar el plasma

El plasma pot calfar-se de diverses formes:

• Calfament per corrent: el plasma es calfa quan rep corrent (per la resistència elèctrica). Solament s'utilisa per al calfament inicial, ya que la resistència és inversamente proporcional a la temperatura del plasma.

• Ones electromagnètiques d'alta freqüència: el plasma absorbix energia quan se li apliquen ones electromagnètiques (de forma anàloga a un forn microones).

• Calfament per partícules neutres: un injector de fes de partícules neutres genera ions i els accelera per mig d'un camp elèctric. Per a evitar que es vegen afectats pel camp magnètic del stellarator, els ions deuen neutralisar-se. A continuació, els ions neutralisats s'injecten en el plasma. La seua elevada energia cinètica es transferix a les partícules del plasma per mig de colisions, calfant-les.

Vore també

• [[Archiu:{{#switch:Energia|20px|Vore el portal sobre Energia]] Portal:Energia. Contingut relacionat en Energia.
• Sonda de Langmuir