Alcator C-Mod

A finales de la década de 1960, la investigación sobre fusión por confinamiento magnético en el MIT se llevó a cabo mediante experimentos a pequeña escala, a modo de "mesa", en el Laboratorio de Investigación de Electrónica y en el Laboratorio de Magnetismo Francis Bitter . En ese momento, la Unión Soviética estaba desarrollando un tokamak (aunque esto era desconocido en Estados Unidos), y el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) estaba desarrollando el estelarador .

Bruno Coppi trabajaba en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, y estaba interesado en el problema fundamental de la física del plasma, concretamente en la resistividad del plasma a altos valores del parámetro de flujo , así como en el comportamiento de los plasmas confinados magnéticamente a intensidades de campo muy elevadas (≥  10  T). En 1968, Coppi asistió a la tercera Conferencia Internacional del OIEA sobre Física del Plasma e Investigación de Fusión Nuclear Controlada en Novosibirsk . En esta conferencia, científicos soviéticos anunciaron que habían alcanzado temperaturas electrónicas superiores a 1000  eV en un dispositivo tokamak ( T-3 ).

Ese mismo año, Coppi fue nombrado catedrático del Departamento de Física del MIT . Inmediatamente colaboró ​​con ingenieros del Laboratorio de Magnetismo Francis Bitter , liderados por Bruce Montgomery, para diseñar un tokamak compacto (0,54  m de radio mayor) y de alto campo (10 T en el eje) ,  al que denominó Alcator . El nombre es un acrónimo del italiano Al to Campo Toro , que significa "toro de alto campo". Con la posterior construcción de Alcator C y luego de Alcator C-Mod, el Alcator original pasó a llamarse Alcator A.

El Alcator fue aprobado por la Comisión de Energía Atómica (AEC) en 1970 y entró en funcionamiento por primera vez en 1972. Los problemas de rendimiento (vacío deficiente y formación de arcos eléctricos en los imanes de campo toroidal) llevaron a la reconstrucción de la máquina entre 1973 y 1974 con una nueva cámara de vacío, y los resultados científicos comenzaron en 1974. El Alcator A funcionaba con los motores-generadores  de CC de 32 MW del Laboratorio Bitter y fue el primer tokamak del mundo en utilizar un transformador de núcleo de aire para la generación de corriente óhmica y el calentamiento.

El éxito de Alcator A impulsó el diseño conceptual, a partir de 1975, de una máquina más grande llamada Alcator B. Sin embargo, los motores-generadores utilizados en Alcator A no tenían la potencia suficiente para alimentar la nueva máquina, lo que requirió la compra e instalación de nuevas fuentes de alimentación, un costo que la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA) no estaba dispuesta a financiar. No obstante, la ERDA se mostró entusiasmada con la idea de construir otro Alcator, y se encontró una solución: Con Edison  donó al MIT un alternador de 225 MVA procedente de una planta ubicada en el East River de la ciudad de Nueva York. El diseño conceptual se modificó para adaptarse a la nueva fuente de alimentación, y el proyecto pasó a llamarse Alcator C.

El Alcator C fue autorizado oficialmente en 1976. Ese mismo año, el Centro de Fusión de Plasma (actualmente Centro de Ciencia y Fusión de Plasma) se separó del Laboratorio de Magnetismo Francis Bitter. La construcción del Alcator C avanzó rápidamente y las pruebas iniciales se realizaron a finales de 1977. El alternador llegó de Con Edison a principios de 1978 (su transporte se vio complicado por la tormenta de nieve de ese año ) y se incorporó al sistema en el verano de 1978. Las operaciones científicas comenzaron en septiembre de ese año.

Alcator C era una máquina más grande ( R ₀  =  0,64  m) y operaba a un campo más alto ( B ₀  ≤  13  T) que Alcator A. Con la adición de 4  MW de calentamiento híbrido inferior en 1982, se alcanzaron temperaturas electrónicas superiores a 3,0  keV. Si bien Alcator C no tenía originalmente el tiempo de confinamiento de energía esperado, debido al inicio de la turbulencia del gradiente de temperatura iónica a valores altos de${\displaystyle \eta ={\text{d}}\ln T/{\text{d}}\ln n}$Se utilizó la alimentación con pellets para producir perfiles de densidad máximos y en 1983 se lograron valores del producto n τ superiores a 0,8  ×  10 ²⁰  s·m ^{−3 .}

Varias ideas para nuevos dispositivos y mejoras en el PSFC nunca recibieron financiación. Entre 1978 y 1980, se llevó a cabo un proyecto de diseño para el Alcator  D, una versión más grande del Alcator  C que permitiría mayor potencia de calentamiento e incluso, posiblemente, el funcionamiento con deuterio-tritio (D-T). Este diseño nunca se propuso formalmente al Departamento de Energía (DOE), pero continuó evolucionando bajo la dirección de Coppi, convirtiéndose finalmente en el dispositivo IGNITOR italo-ruso cuya construcción estaba prevista en TRINITY, cerca de Troitsk , Rusia.

En 1982, se concibió otro dispositivo más ambicioso llamado Alcator DCT. Esta máquina contaría con bobinas superconductoras que producirían 7  T en el eje.  Un generador de corriente híbrida de baja potencia de 4 MW impulsaría un plasma en estado estacionario con una  corriente de plasma de 1,4 MA. Dado que este diseño era similar al del Tore Supra francés , en 1983 se celebró un taller conjunto franco-estadounidense en Cadarache para comparar ambos diseños e intercambiar ideas. El Alcator DCT se propuso formalmente al Departamento de Energía de EE. UU. a finales de 1983, pero no recibió financiación.

En aquel entonces, el presupuesto para la investigación de la energía de fusión magnética en Estados Unidos había ido en aumento año tras año, alcanzando un máximo de 468,4  millones de dólares en el año fiscal 1984. Ese año, se notificó al PSFC que, durante un tiempo, los presupuestos se reducirían y que la política del Departamento de Energía (DOE) sería financiar únicamente mejoras a los dispositivos existentes, no máquinas nuevas. Por lo tanto, se inició el diseño de una máquina con bobina de cobre que reutilizaría algunas de las fuentes de alimentación del Alcator  C, lo que permitió al equipo presentarla como una "modificación" del Alcator  C. El diseño conceptual se completó y el Alcator C-Mod se propuso formalmente al DOE a finales de 1985. El proyecto fue aprobado y la construcción se autorizó en 1986.

Alcator C-Mod utiliza calentamiento por radiofrecuencia de ciclotrón de iones (ICRF) como su fuente de calentamiento auxiliar principal. La frecuencia de la fuente es de 80  MHz y los escenarios estándar de calentamiento de especies minoritarias son D(H) para 4,4–6,9 T y D(3He) para operación en campo alto (7,3–8,0 T). ^{[ 2 ]} Se indica una especie minoritaria (hidrógeno o He3) y los escenarios ICRH utilizan un plasma de dos componentes.

La eficiencia de absorción varía con la concentración de especies minoritarias. También es posible realizar una transición entre el calentamiento por conversión de especies minoritarias y el calentamiento por conversión de modo (MC) variando la concentración de especies minoritarias. La fracción relativa de H${\displaystyle \eta _{H}=n_{H}/(n_{H}+n_{D})}$Se puede escanear desde aproximadamente 2–30% mediante inyección de gas y medir utilizando intercambio de carga pasivo. ^{[ 2 ]} La fracción relativa de He3${\displaystyle \eta _{He3}=n_{He3}/n_{e}}$La concentración también se puede medir desde aproximadamente el 2% hasta el 30% mediante inyección de gas. La imagen de contraste de fase (PCI) se puede utilizar para medir las ondas convertidas de modo directamente en el plasma.

Menor corriente de accionamiento híbrido

El accionamiento de corriente híbrida inferior (LHCD) (basado en la oscilación híbrida inferior ) se utiliza para complementar la corriente impulsada por el transformador óhmico . El sistema LHCD es capaz de suministrar más de 1,0 MW de potencia de microondas (actualización prevista a 2  MW o más con la adición de una segunda antena en 2013).) al plasma a 4,6  GHz. La energía es suministrada por amplificadores de microondas klistrón de  250 kW fabricados por CPI, Inc. Se logró una operación no inductiva para pulsos de hasta 0,5 s a 500 kA. Las ondas híbridas inferiores se lanzan preferentemente en la dirección opuesta a la corriente del plasma (es decir, en la dirección del viaje de los electrones) y depositan energía en electrones que se mueven aproximadamente tres veces la velocidad térmica a través de la amortiguación de Landau . Un área importante de investigación de LHCD ha sido el área de la generación de corriente a las altas densidades (n _e > 10 ²⁰ m ⁻³ ) requeridas para una planta de energía de fusión.  

Vista panorámica de la pared exterior del tokamak, compuesta a partir de 273 fotografías. A la izquierda se observa la antena de frecuencia ciclotrónica de iones, que gira, con sus cuatro correas de cobre. En el centro se aprecia el lanzador híbrido inferior, con su rejilla de pequeñas guías de onda rectangulares, y hacia la derecha se encuentran las antenas de frecuencia ciclotrónica de iones, que no giran, con sus cuatro correas de cobre. La entrada para el haz neutro es el gran orificio circular cerca de la derecha.

• "Una crónica del alcaide, o: ¿Qué le sucedió al alcaide B?" R. Parker, presentación en IAP 2011. Disponible en línea en la biblioteca del MIT PSFC.
• Bonoli et al. Física de Plasmas, Vol. 7, No. 5, mayo de 2000