El Dispositivo Híbrido de Illinois para Investigación y Aplicaciones (HIDRA) es un dispositivo de fusión magnética toroidal de tamaño mediano que se está ensamblando actualmente en el Centro de Interacciones de Material de Plasma en el Departamento de Ingeniería Radiológica, de Plasma y Nuclear de la Universidad de Illinois en Urbana – Champaign . Estados Unidos. Se anticipa que HIDRA tendrá el primer plasma a mediados de septiembre de 2015 y comenzará campañas experimentales completas para diciembre de ese año. HIDRA es el antiguo estelarizador clásico WEGA que se operó en el Max-Planck Institut für Plasmaphsyik en Greifswald, Alemania, de 2001 a 2013.
Dispositivo híbrido de Illinois para investigación y aplicaciones | |
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Tipo de dispositivo | Stellarator , Tokamak |
Localización | Urbana , Illinois , Estados Unidos |
Afiliación | Universidad de Illinois en Urbana-Champaign |
Especificaciones técnicas | |
Radio mayor | 0,72 m (2 pies 4 pulgadas) |
Radio menor | 0,19 m (7,5 pulgadas) |
Campo magnético | <0,5 toneladas (5000 G) |
Poder de calefacción | 26 kW (magnetrón de 2,45 GHz, calentamiento óhmico) |
Historia | |
Año (s) de funcionamiento |
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Un aspecto único de HIDRA es que no solo puede funcionar como estelar sino también como tokamak, de ahí la designación híbrida. De hecho, debería ser posible operar los dos modos simultáneamente. Está previsto operar hasta 30 minutos de plasma continuo, con hasta 60 minutos en el futuro y se concentrará en comprender la compleja relación entre el plasma y los materiales dentro del recipiente de vacío de un dispositivo de fusión.
Historia
HIDRA es probablemente el dispositivo de fusión más viajado del mundo. Desde sus inicios en Francia ha operado en 3 países y 4 ciudades. Los objetivos de investigación del dispositivo han cambiado drásticamente a lo largo de los años, pasando de realizar estudios de calentamiento de ondas a ser un banco de pruebas para uno de los dispositivos de fusión más sofisticados del mundo y ahora a estudiar la forma en que los plasmas interactúan con la pared interior y los materiales de los dispositivos de fusión. De hecho, será el primer dispositivo relevante para la fusión toroidal que se dedicará al estudio de la pared de plasma (PWI) y las interacciones del material plasmático (PMI).
Centre d'Etudes Nucléaires (1972-1982)
HIDRA, de hecho, comenzó como una máquina diferente en el Centre d'Etudes Nucléaires en Grenoble, Francia en 1972. En ese entonces se llamaba WEGA con la construcción del dispositivo de 1972 a 1975. WEGA era un proyecto conjunto entre CEA Grenoble y Max-Planck-Institut für Plasmaphysik en Alemania para estudiar el calentamiento por RF y el calentamiento híbrido inferior. Se construyeron tres recipientes de vacío, dos tokamak y stellarator. WEGA operó principalmente como un tokamak de 1975 a 1982 a pesar de los planes para instalar el recipiente estelarizador en 1976 (se necesitaban reparaciones en el aislamiento de la bobina helicoidal). Las temperaturas de electrones e iones alcanzadas fueron T e = 600 - 900 eV y T i = 150 - 250 eV. Densidades de n e = 1,6 × 10 19 m −3 con una corriente de plasma de I P = 45 - 60 kA y potencia de calentamiento, P ohm = 100 - 130 kW y, P RF = 100 kW. La duración típica del pulso fue Δt = 5 - 15 ms y un tiempo de confinamiento de energía, τ E = 3 - 5 ms.
Institut für Plasmaforschung (1982-2000)
En 1982, WEGA se trasladó de Grenoble a la Universidad de Stuttgart en Alemania. Desafortunadamente, en Stuttgart parece que WEGA no se usó mucho. No hay mucha información de este tiempo y es muy difícil ver qué resultados se obtuvieron de este período de 18 años. Los problemas parecen ser la falta de suficiente potencia de calefacción y refrigeración. Sin embargo, IPF instaló el recipiente de vacío del estelarizador y se realizaron algunas de las primeras mediciones de la superficie del flujo magnético.
Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (2001-2013)
De 2000 a 2001, WEGA se trasladó de Stuttgart a Greifswald. En esta etapa se había construido un nuevo instituto en la antigua ciudad de Alemania Oriental para estimular el crecimiento económico, científico y educativo en la región. MPIPP Greifswald fue designado para albergar el nuevo estelarador modular W7-X . Mientras se construía el W7-X, se incorporó a WEGA para que fuera la máquina donde se probaría y perfeccionaría gran parte del trabajo de diagnóstico, calentamiento y control del W7-X. También proporcionó una herramienta valiosa en la formación y la enseñanza de las futuras generaciones de científicos e ingenieros de fusión y plasma. De hecho, aunque el nombre era el mismo, el acrónimo de WEGA cambió a "Experimento Wendelstein en Greifswald für Ausbildung", el experimento Wendelstein en Greifswald for Training.
Los sistemas de bobinas magnéticas de WEGA se ejecutaron a través de conjuntos de transformadores y rectificadores que permitían operaciones de estado estable. Esto hizo que WEGA fuera único entre los dispositivos de fusión toroidal más pequeños que normalmente son pulsados, y solo los dispositivos más grandes como LHD y W7-X tienen ese tipo de capacidad de estado estable. Algunos de los logros de WEGA incluyen el desarrollo de un esquema de calentamiento OXB que permite el calentamiento ECRH por encima de la densidad de corte de los electrones en el plasma. Esto permitió alcanzar densidades casi 100 veces mayores. El sistema de control W7-X se probó en WEGA mostrando la capacidad en tiempo real de medir los parámetros del plasma y controlar la máquina. Se demostró que, a pesar de ser un estelarizador, se podía impulsar una corriente de plasma a través del calentamiento del plasma por microondas.
En 2013 se realizaron los últimos experimentos y WEGA fue desmantelado lentamente a medida que las operaciones para W7-X comenzaron a aumentar. WEGA sería descartado o, si se encontraba un grupo de investigación adecuado, sería donado.
Centro de interacciones con el material plasmático (2014-presente)
Con las operaciones de W7-X comenzando en 2014, el espacio ocupado por WEGA y sus sistemas de energía estaba ocupando un espacio muy necesario para el sistema de dispersión Thompson y un sistema de inyección de gránulos criogénicos. Durante la conferencia SOFE de 2013, Daniel Andruczyk, un ex post-doctorado en WEGA, se reunió con algunos ex colegas y se sugirió que la Universidad de Illinois podría potencialmente llevar WEGA a los EE. UU. Después de un año de negociaciones entre el director del Centro de Interacciones de Materiales de Plasma, David Ruzic, la Universidad y el IPP, se obtuvieron los fondos para que esto sucediera. Andruczyk fue contratado para liderar el proyecto de desmantelamiento y envío de WEGA al campus de Urbana-Champaign en Illinois. A su llegada, la máquina pasó a llamarse Dispositivo híbrido de Illinois para investigación y aplicaciones. La parte híbrida es que todavía tiene las capacidades de tokamak, no solo las de stellarator.
Durante el otoño de 2014, tardó casi 8 semanas en desmantelar el dispositivo en Alemania y Rhenus lo empacó y envió a los EE. UU. En octubre. A principios del 4 de noviembre, los contenedores de envío de dispositivos de fusión llegaron en un camión de plataforma plana a la Universidad de Illinois en el Centro de Interacciones de Materiales de Plasma. Aparte del personal de laboratorio, la división de instalaciones y servicios de las universidades estuvo muy involucrada en ayudar a descargar, mudar y ensamblar muchos de los componentes más grandes y pesados. La construcción comenzó en serio con los transformadores y rectificadores para las bobinas magnéticas helicoidales y toroidales moviéndose primero. Una vez que se establecieron, se trajo la base y se instalaron los yugos, la columna central, los medios toros y las bobinas de campo vertical durante los siguientes diez días.
A partir de ahí, se necesitaron otros 18 meses para montar y conectar todo lo demás. El transformador de 20 kV necesario para el funcionamiento de las bobinas fue fabricado por Cooper Electronics y el mecanismo de conmutación para encenderlo todo lo suministró G&W. Se contrató Quad-Plus para poner en marcha los rectificadores, lo que permite la configuración de campo del dispositivo. En este tiempo se trajeron e instalaron tanques de enfriamiento de agua y los instaladores de tuberías de las universidades construyeron el sistema de enfriamiento para la máquina e instalaron la bomba de agua. El sistema de control fue escrito por estudiantes de grado y posgrado y permite controlar la máquina desde una computadora a través de un programa LabView. Esto también envía las señales de activación necesarias para activar los diversos sistemas de diagnóstico y adquisición de datos.
Estado actual
En abril de 2016, HIDRA tuvo su primer plasma, una simple descarga de plasma brillante, durante la jornada de puertas abiertas de los Departamentos de Ingeniería Radiológica, de Plasma y Nuclear. Con casi 100 dignatarios e invitados, incluido el jefe de departamento y el Decano de Ingeniería, el equipo de HIDRA pudo demostrar que todos los componentes funcionales del dispositivo que instalamos y ejecutamos y que las operaciones pudieron comenzar.
El primer conjunto de datos fue la caracterización de las líneas de flujo magnético en la máquina. Esto utilizó un método interno de haz de electrones y varilla fluorescente, que se desarrolló originalmente en WEGA para W7-X, para ver cómo se vería la forma del campo magnético y, por lo tanto, la forma del plasma. El rayo se escanearía a través del radio menor del recipiente de vacío y la varilla se deslizaría a través del recipiente. En cualquier lugar donde un haz de electrones golpeara la barra, se iluminaba. Se utilizó una cámara astronómica sensible para obtener imágenes de las superficies de flujo y compararlas con un código de trazado de rayos para ver la validez del plasma y cualquier campo de error presente. También se podría sangrar algo de gas para ver visualmente los propios haces de electrones.
Plasmas de magnetrón