El toro lleno de baches es una clase de dispositivos de energía de fusión magnética que consisten en una serie de espejos magnéticos conectados de extremo a extremo para formar un toro cerrado. Tal disposición no es estable por sí sola, y la mayoría de los diseños de toros desiguales utilizan campos secundarios o electrones relativistas para crear un campo estable dentro del reactor.
La principal desventaja del diseño clásico de espejo magnético es la fuga excesiva de plasma a través de los dos extremos. El toro lleno de baches aborda esto conectando múltiples espejos juntos para que la fuga de combustible de un espejo termine en otro. Se describe como "irregular" porque los iones de combustible que comprenden el plasma tienden a concentrarse dentro de los espejos a una densidad mayor que las corrientes de fuga entre las celdas de los espejos.
Desigual torus diseños fueron un área de investigación activa a partir de la década de 1960 y continuó hasta 1986 con el ELMO ( EL ectro M agnetic O rbit) Bumpy Torus en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge . [1] Uno, en particular, ha sido descrito: "Imagine una serie de máquinas de espejos magnéticos colocadas de extremo a extremo y retorcidas en un toro. Un ión o electrón que se escapa de la cavidad de un espejo se encuentra en otra celda de espejo. Esto constituye un toro lleno de baches ". [2] Estos problemas demostrados y la mayoría de las investigaciones sobre el concepto han terminado.
Fondo
Espejos simples
El espejo magnético se encuentra entre las máquinas de energía de fusión magnética más simples en términos de complejidad física. Consiste en gran parte en un cilindro con potentes imanes en cada extremo, aunque en la práctica el cilindro está revestido con imanes menos potentes para moldear mejor el campo. El campo magnético resultante tiene una forma más o menos como el exterior de un cigarro, ancho en el centro del cilindro y estrechándose en cada extremo.
El plasma consiste en un gas de partículas cargadas, electrones y los núcleos (iones) del combustible de fusión que se utiliza. En presencia de un campo magnético, las partículas cargadas orbitan las líneas de fuerza. También llevan el impulso que tenían a lo largo de la línea de fuerza, por lo que en la práctica, el movimiento resultante es una espiral centrada en la línea magnética.
El espejo funciona por la forma en que este movimiento queda "atrapado" en cualquier extremo del cilindro. A medida que los iones se acercan a los extremos, otras líneas magnéticas convergen en la misma ubicación, creando un campo ascendente. Dado el conjunto correcto de condiciones, el ion invertirá su movimiento, esencialmente rebotando en el campo creciente, de ahí el nombre espejo. Durante un tiempo macroscópico, los iones individuales rebotan hacia adelante y hacia atrás entre las dos bobinas del espejo, permaneciendo confinados dentro del dispositivo.
Para cualquier disposición de campo dada, siempre quedan algunas líneas de fuerza que no se curvan cuando se acercan a los extremos, más notablemente, las líneas en el centro del espejo. Los iones que rodean estas líneas pueden escapar. Además, para cualquier fuerza magnética dada, siempre hay algunas partículas que tendrán suficiente energía para que no se reflejen, y estas dos escaparán. Los cálculos sugirieron que la tasa de escape sería lo suficientemente baja como para permitir un reactor de larga duración.
Mínimo B
Se señaló muy temprano en el programa de fusión controlada que tal dispositivo tiene una inestabilidad natural en la disposición del campo magnético. En cualquier área donde haya convexidad en el campo, existe una tendencia natural de los iones a querer moverse hacia el exterior de su trayectoria original cuando chocan. Como resultado de este movimiento, deambulan hacia el exterior a través del área de confinamiento. Cuando suficientes iones hacen esto en cualquier área en particular, su carga eléctrica modifica el campo magnético de tal manera que aumenta aún más la curvatura, provocando un efecto de desbordamiento que da como resultado que el plasma salga del área de confinamiento. Este problema se conoció como la inestabilidad del intercambio y se descubrió que era endémico de todos los espejos de finales de la década de 1950.
La inestabilidad del intercambio fue causada por áreas convexas de campos magnéticos, y los investigadores del Reino Unido rápidamente demostraron que lo contrario también era cierto: en un campo cóncavo, con el plasma en el "interior" de la concavidad, sería naturalmente estable . Esto se conoció como la "configuración B mínima". En realidad, hacer un arreglo de campo que no gotee combustible por otras razones es difícil, pero a mediados de la década de 1960 habían surgido varios diseños prometedores, en particular la configuración de "pelota de tenis" o "béisbol", y más tarde, el concepto de yin-yang. Todos ellos tenían la desventaja de ser mucho más complejos, así como más grandes para cualquier volumen de plasma dado, lo que tiene un impacto negativo en la relación precio-rendimiento del diseño.
Toro lleno de baches
El toro lleno de baches es un intento de corregir los problemas del espejo tanto con la inestabilidad del intercambio como con su fuga natural por los extremos.
Para controlar las fugas, se conectaron varios espejos de extremo a extremo. Esto, por sí solo, no redujo las fugas, sino que significó que las partículas se filtraron a otro espejo. Esto puede parecer obvio a primera vista, pero el problema con este enfoque es que el campo magnético resultante ya no es lineal hacia abajo del eje, sino curvado, lo que aumenta la tasa de inestabilidad del intercambio. Sin embargo, cuando se considera la máquina en su conjunto, en lugar de examinar una sola celda de espejo, el campo general se puede disponer como una configuración B mínima neta. [3]
Desafortunadamente, el campo resultante del toro lleno de baches está sujeto a otro problema, el modo de globo resistivo . El equipo de ELMO en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge propuso controlar esto inyectando electrones de alta energía ("calientes") en el espacio entre el exterior del campo de confinamiento del espejo y el exterior del propio reactor. Estos electrones producirían un segundo campo magnético que alejaría el campo natural del espejo de las paredes del reactor y modificaría el campo en su conjunto para reducir el modo de globo. [3]
ELMO
El primer ejemplo del diseño de toro lleno de baches se construyó como ELMO en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1972. [4] Al principio, el diseño demostró resultados prometedores, pero a medida que se agregaron nuevos sistemas de diagnóstico, quedó claro que el sistema no estaba funcionando como estaba diseñado. . En particular, el concepto de capa de electrones no fue ni de lejos tan poderoso como se predijo, y para agregar a los problemas, el sistema de calentamiento por microondas demostró tener una eficiencia mucho menor de lo esperado. [3]
Se construyó un sistema similar en Nagoya , donde la medición directa del campo magnético demostró que solo un pequeño porcentaje del campo creado por los electrones llegaba al interior del área de confinamiento, lo que no era suficiente para compensar las inestabilidades. En 1988, una revisión de todo el campo sugirió que el confinamiento de electrones simplemente no creó las condiciones necesarias, y terminó el interés en el concepto. [3]
Referencias
Citas
- ^ Uckan, Dandl, Hendrick, Bettis, Lidsky, McAlees, Santoro, Watts, Yeh. "EL REACTOR ELMO BUMPY TORUS (EBT)" . osti dot gov . Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Consultado el 1 de junio de 2017 .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Cobble, Jim. "El experimento ELMO Bumpy Torus, una máquina de fusión en estado estable accionada por microondas en ORNL" (PDF) . iccworkshops punto org . Laboratorio Nacional de Los Alamos, 18 de agosto de 2011 . Consultado el 1 de junio de 2017 .
- ↑ a b c d Braams y Stott , 2002 , p. 121.
- ^ Grupo 1985 , p. 1271.
Bibliografía
- Group, EBT (septiembre de 1985). "Programa ELMO Bumpy Torus". Fusión nuclear . 25 (9): 1271-1274. doi : 10.1088 / 0029-5515 / 25/9/046 .
- Braams, CM; Stott, PE (2002). Fusión nuclear: medio siglo de investigación de fusión por confinamiento magnético . Prensa CRC.