El Experimento del Espejo Tandem ( TMX y TMX-U ) fue una máquina de espejo magnético operada desde 1979 hasta 1987 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . [1] Fue la primera máquina a gran escala en probar el concepto de "espejo en tándem" en el que dos espejos atrapaban un gran volumen de plasma entre ellos en un esfuerzo por aumentar la eficiencia del reactor.
Experimento de espejo tándem | |
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Tipo de dispositivo | Espejo magnetico |
Localización | Livermore , California , Estados Unidos |
Afiliación | Laboratorio Nacional Lawrence Livermore |
Historia | |
Fecha (s) de construcción | 1977-1979 |
Año (s) de funcionamiento | 1979-1987 |
Precedido por | 2XIIB |
Dispositivos relacionados | Instalación de prueba de fusión de espejos (MFTF) |
El TMX original fue diseñado y construido en un corto período entre su concepción en una importante reunión de física en Alemania en octubre de 1976, su diseño en enero de 1977 y su finalización en octubre de 1978. Durante el año siguiente, validó el enfoque del espejo tándem. Los planes comenzaron a construir una máquina mucho más grande basada en los mismos principios, Mirror Fusion Test Facility (MFTF). Inicialmente, MFTF era solo una versión ampliada de TMX, pero cuando se estudió el diseño, se vio que no alcanzaría el rendimiento deseado. Se necesitaba algún sistema que aumentara la temperatura interna del combustible.
Se encontró una solución en forma de "barreras térmicas" que atraparían electrones de alta energía y permitirían aumentar la energía del combustible sin aumentar las fugas. Mientras comenzaba la construcción de MFTF, se agregaron barreras térmicas a TMX para convertirse en TMX-U en 1982. Desafortunadamente, aunque TMX-U validó el concepto de barrera térmica en general, las barreras no eran estables. Parecía que MFTF sufriría los mismos problemas. MFTF estaba casi completo en ese momento y la financiación se canceló al día siguiente de su finalización. TMX-U continuó funcionando hasta febrero de 1987.
Historia
Espejos tempranos e inestabilidad
Las máquinas de espejo magnético estuvieron entre los primeros diseños serios para reactores de fusión, junto con el stellarator y el z-pinch . La máquina era muy simple, y consistía principalmente en un solenoide en el que los cables no estaban enrollados de manera uniforme, pero tenía áreas en cada extremo con más devanados. Cuando una corriente atravesaba los devanados, el campo resultante se apretaba en los extremos, lo que provocaba que los electrones y los iones se reflejaran en el centro y, por lo tanto, permanecieran confinados. Richard F. Post en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) se convirtió en uno de los principales defensores del concepto, y Livermore se convirtió en un centro mundial para la investigación de espejos.
En una famosa charla en 1954, Edward Teller expresó su creencia de que las máquinas como el espejo tenían una inestabilidad inherente, hoy conocida como inestabilidad de intercambio , que las haría incapaces de atrapar un plasma en cualquier lugar cercano a las escalas de tiempo requeridas. [2] En ese momento, en la infancia del programa, ninguna de las máquinas existentes podía confinar un plasma el tiempo suficiente para ver si esto era cierto. Para 1960, Livermore había construido varias máquinas de espejos cada vez más grandes con tiempos de confinamiento más largos, y no se pudo encontrar ningún indicio del problema. [3]
El misterio se resolvió en una reunión internacional en 1961 cuando Lev Artsimovich preguntó si los equipos de Livermore habían calibrado un instrumento de medición en particular para tener en cuenta un retraso en sus lecturas. No lo habían hecho; Inmediatamente se comprendió que la aparente estabilidad que se estaba midiendo era ilusoria. El equipo estadounidense concluyó que "ahora no tenemos un solo hecho experimental que indique un confinamiento prolongado y estable". [4]
Pelotas de béisbol y yin-yang
A diferencia de los equipos de Livermore, sus homólogos soviéticos en el Instituto Ioffe vieron signos de inestabilidad en el intercambio durante algún tiempo. Ya había una cantidad significativa de investigación sobre cómo evitar este problema, y en la misma reunión de 1961, Mikhail S. Ioffe presentó datos de uno de esos diseños, el "mínimo-B", que mostraba señales claras de que estaba suprimiendo la inestabilidad. . Este diseño agregó cables conductores de corriente adicionales que modificaron el campo magnético para doblar el plasma en forma de pajarita. Los seis conductores fueron conocidos como "barras de Ioffe". [4]
Una nueva versión del concepto básico surgió del Reino Unido, la "pelota de tenis", que fue rápidamente recogida en Livermore, americanizada a "bobinas de béisbol" y construida en una serie de máquinas conocidas como ALICE, Baseball I y II. Estas máquinas tenían un solo imán que las hacía mucho más fáciles de construir y también tenían la ventaja de tener un volumen interno muy grande que facilitaba la inserción de diagnósticos. La desventaja de este diseño fue que el imán era muy grande en relación con el volumen de plasma que contenía. Ken Fowler de Livermore tomó este diseño básico y lo modificó para producir la variación "yin-yang", cuyos imanes estaban mucho más cerca del plasma. Esto fue construido en la serie de máquinas 2X. [5]
A medida que las nuevas máquinas de béisbol demostraron una gran estabilidad, parecía que se podría construir un reactor de fusión funcional utilizando el diseño. [6]
Espejos en tándem
Estos resultados surgieron a principios de la década de 1970, que coincidió con la crisis energética de la década de 1970 , y la consiguiente infusión masiva de capital por parte del gobierno federal de los Estados Unidos en nuevas formas de energía. La dirección de fusión, ahora bajo la dirección de Robert L. Hirsch , comenzó a desviar los laboratorios de la investigación pura hacia un esfuerzo por hacer un diseño de reactor funcional. En este sentido, mientras que los espejos estaban funcionando bien, tendrían un rendimiento muy pobre en el mundo real, el llamado Q . Incluso en el mejor de los casos, parecía que se limitarían a una Q de alrededor de 1,2, mientras que una máquina práctica necesitaría que fuera al menos 10. El asistente de Hirsch, Stephen O. Dean , dijo a los equipos de Livermore que tendrían que aumentar la Q o ser desfinanciado.
En 1976 se ofreció una solución potencial en forma de "espejo tándem". En este concepto, las bobinas yin-yang se colocarían en cada extremo de un gran tanque de combustible de fusión entre ellas. La idea era que el combustible se calentara a temperaturas de fusión mediante inyección de haz neutro en el centro de los espejos y luego fluiría hacia el tanque donde podría continuar reaccionando. El gran volumen del tanque combinado con los imanes de relativamente baja potencia en esa área multiplicó la energía que se liberaba sin requerir mucha más entrada.
El problema era que los espejos son naturalmente simétricos, si el combustible pudiera fluir por un extremo hacia el tanque, con la misma facilidad podría fluir por el otro y escapar por completo. Para resolver este problema, el espejo en tándem tenía como objetivo crear un plasma "ambipolar". Idealmente, esto le permitió contener electrones e iones de manera diferente. Debido a que los iones son mucho más masivos que los electrones , pueden existir con diferentes velocidades simultáneamente, mientras que los electrones casi siempre están a alta velocidad. Al atrapar un volumen de iones en los espejos, los electrones serían atraídos a los dos lados del reactor, formando un área de carga negativa. Los iones de mayor energía que escapen del centro de los espejos serían atraídos preferentemente hacia estas áreas negativas, hacia el centro del reactor. [7]
TMX
Aunque ya se habían reservado fondos para MFTF, con el gran avance que representaba el enfoque en tándem, parecía posible una gran mejora en el rendimiento. Estableciendo el objetivo de producir Q = 5, se presentó un nuevo concepto de MFTF. Esta máquina era tan grande que llevaría años construirla, el Livermore propuso construir una máquina mucho más pequeña para probar el diseño en tándem. Este fue aprobado en enero de 1977 y se convirtió en TMX.
TMX se completó en 1979 y los experimentos iniciales sugirieron que el diseño en tándem estaba funcionando como se esperaba. A partir de estos resultados, se inició el diseño de MFTF. Cada intento de ampliar TMX resultó en una máquina que simplemente no alcanzó los objetivos de rendimiento deseados. Se inició una nueva ronda de "mejora Q" e introdujo otro mecanismo de captura, las "barreras térmicas", que requirieron otro conjunto de espejos y cambios en los inyectores.
TMX-U
MFTF funcionaría de una forma u otra, con o sin las barreras, por lo que se tomó la decisión de seguir adelante con el diseño y agregar barreras a TMX para probar el concepto. Esto produjo TMX-U. La máquina se apagó en 1982. [ cita requerida ]
Diseño
El TMX fue propuesto formalmente por Fred Coensgen y el equipo de Livermore el 12 de enero de 1977 a la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía de EE. UU . [8] Se proyectaba que el proyecto costaría 11 millones de dólares. El diseño constaba de cinco anillos de corriente alrededor del plasma. Los extremos utilizan imanes con forma de "béisbol" en el extremo para evitar que se escape el plasma. Este diseño produjo fuerzas magnéticas que aumentan en todas las direcciones desde el centro de la región del espejo. Un plasma de fusión con forma de pajarita retorcida está confinado dentro de un espejo magnético. [9] El diseño de enchufes apropiados fue un desafío para todas las máquinas de espejos magnéticos. El diseño de béisbol fue reemplazado más tarde por los exóticos imanes yin-yang del MFTF . [10] Los problemas con el escape del plasma llevaron a los investigadores hacia el Tokamak, donde los enchufes se eliminaron haciendo un bucle en el campo.
TMX-U
En febrero de 1981 se publicó un resumen de los resultados de las ejecuciones originales con TMX. [11] En ese momento, la instalación se sometió a una importante revisión. Se agregó una barrera térmica para contener mejor el plasma, se aumentó el número de anillos a más de diez [12] , se revisó el sistema de vacío y diagnóstico y se agregaron imanes adicionales para tapar las pérdidas. [13] La nueva máquina se denominó "TMX-U" [14] y funcionó hasta finales de los años ochenta.
Crítica
Lawrence Lidsky criticó a las máquinas de espejos magnéticos diciendo: "Seguían agregando un juego de imanes al año hasta que colapsaba por su propio peso" [1] y en su artículo " El problema con la fusión ".
Otras lecturas
- "Experimento de espejos en tándem con barreras térmicas" GA Carlson, UCRL-52836, 19 de septiembre de 1979.
- "Sistemas de confinamiento termonuclear con sistemas de espejos gemelos" por GI Dimov, revista soviética de física del plasma, volumen 2 número 4
- "Pérdidas de iones por trampas de espejos detenidas" DP Chernin, MN Rosenbluth, Instituto de Estudios Avanzados, Fusión Nuclear 1978
- "Reactor de fusión de espejo en tándem mejorado" por DE Baldwin, Physical Review Letters, 29 de octubre de 1979.
Referencias
- ↑ a b Booth, William (1987). "Bola de naftalina de 372 millones de dólares de Fusion". Ciencia . 238 (4824): 152-155. Código Bibliográfico : 1987Sci ... 238..152B . doi : 10.1126 / science.238.4824.152 . PMID 17800453 .
- ^ Herman , 2006 , p. 30.
- ^ Bromberg , 1982 , p. 58.
- ↑ a b Bromberg , 1982 , p. 111.
- ^ Krall, Nicholas A .; Trivelpiece, Alvin W .; Gross, Robert A. (1973). "Principios de la física del plasma". Revista estadounidense de física . 41 (12): 1380-1381. Código Bibliográfico : 1973AmJPh..41.1380K . doi : 10.1119 / 1.1987587 . ISSN 0002-9505 .
- ^ Kelley, GG (1967). "Eliminación de la pérdida potenciada por potencial ambipolar en una trampa magnética". Física del plasma . 9 (4): 503–505. doi : 10.1088 / 0032-1028 / 9/4/412 . ISSN 0032-1028 .
- ^ "Comentarios sobre la física del plasma y la fusión controlada" Burton D Fried, comentarios sobre la física del plasma y la fusión controlada, 1977, Volumen 2, Número 6
- ^ "PROPUESTA DE PROYECTO PRINCIPAL TMX" Fred Coensgen, 12 de enero de 1977, LLL-Prop-148
- ^ "Experimento de espejo tándem (TMX)" . Enero de 1978.
- ^ Kozman, T .; Wang, S .; Chang, Y .; Dalder, E .; Hanson, C .; Hinkle, R .; Myall, J .; Montoya, C .; Owen, E .; Palasek, R .; Shimer, D. (1983). "Imanes para la instalación de prueba de fusión de espejos: prueba del primer yin-yang y el diseño y desarrollo de otros imanes" . Transacciones IEEE sobre Magnetismo . 19 (3): 859–866. Código bibliográfico : 1983ITM .... 19..859K . doi : 10.1109 / tmag.1983.1062533 . ISSN 0018-9464 .
- ^ Simonen, TC, ed. (26 de febrero de 1981). "Resumen de los resultados del experimento Tandem Mirror (TMX)" . doi : 10.2172 / 5759138 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Allen, SL; Correll, DL; Hill, DN; Kaiser, TB; Heifetz, DB (1987). "Determinación del transporte radial ambipolar a partir del balance de partículas en el espejo tándem TMX-U". Fusión nuclear . 27 (12): 2139–2152. doi : 10.1088 / 0029-5515 / 27/12/013 . ISSN 0029-5515 .
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