Beta plasmática

La fusión nuclear ocurre cuando los núcleos de dos átomos se acercan lo suficiente como para que la fuerza nuclear los atraiga y forme un único núcleo más grande. La fuerza nuclear fuerte se opone a la fuerza electrostática creada por la carga positiva de los protones de los núcleos , que los empuja hacia afuera. La cantidad de energía necesaria para superar esta repulsión se conoce como barrera de Coulomb . La cantidad de energía liberada por la reacción de fusión cuando ocurre puede ser mayor o menor que la barrera de Coulomb. Generalmente, los núcleos más ligeros con un menor número de protones y un mayor número de neutrones tendrán la mayor relación entre la energía liberada y la energía requerida, y la mayor parte de la investigación sobre energía de fusión se centra en el uso de deuterio y tritio , dos isótopos del hidrógeno .

Incluso utilizando estos isótopos, la barrera de Coulomb es lo suficientemente grande como para que los núcleos deban recibir grandes cantidades de energía antes de que se fusionen. Si bien existen varias maneras de lograrlo, la más sencilla consiste en calentar la mezcla de gases, lo que, según la distribución de Maxwell-Boltzmann , dará como resultado un pequeño número de partículas con la energía requerida, incluso cuando el gas en su conjunto esté relativamente frío en comparación con la energía de la barrera de Coulomb. En el caso de la mezcla DT, la fusión rápida ocurrirá cuando el gas se caliente a unos 100 millones de grados. ^{[ 1 ]}

Esta temperatura supera con creces los límites físicos de cualquier recipiente que pudiera contener los gases, lo que ha dado lugar a diversos enfoques para resolver este problema. El enfoque principal se basa en la naturaleza del combustible a altas temperaturas. Cuando los gases de fusión se calientan a las temperaturas necesarias para una fusión rápida, se ionizan completamente, formando un plasma, una mezcla de electrones y núcleos que constituye un gas globalmente neutro. Dado que las partículas dentro del gas están cargadas, esto permite manipularlas mediante campos eléctricos o magnéticos. Esto da origen a la mayoría de los conceptos de fusión controlada.

Aunque se alcance esta temperatura, el gas perderá energía constantemente hacia el entorno (se enfriará). Esto da lugar al concepto de "tiempo de confinamiento", que indica el tiempo durante el cual el plasma se mantiene a la temperatura requerida. Sin embargo, las reacciones de fusión podrían devolver su energía al plasma, calentándolo de nuevo, lo cual depende de la densidad del plasma. Estas consideraciones se combinan en el criterio de Lawson , o su forma moderna, el triple producto de fusión. Para que sea eficiente, la tasa de energía de fusión depositada en el reactor debería ser idealmente mayor que la tasa de pérdida hacia el entorno, condición conocida como "ignición".

En los diseños de reactores de fusión por confinamiento magnético (MCF), el plasma se confina dentro de una cámara de vacío mediante una serie de campos magnéticos. Estos campos se generan normalmente mediante una combinación de electroimanes y corrientes eléctricas que atraviesan el plasma. Los sistemas que utilizan únicamente imanes se construyen generalmente mediante el enfoque de estelarador , mientras que los que utilizan solo corriente son las máquinas de pinza . El enfoque más estudiado desde la década de 1970 es el tokamak , donde los campos generados por los imanes externos y la corriente interna tienen una magnitud aproximadamente igual.

En todas estas máquinas, la densidad de partículas en el plasma es muy baja, a menudo descrita como un "vacío pobre". Esto limita su aproximación al triple producto a lo largo del eje de temperatura y tiempo. Esto requiere campos magnéticos del orden de decenas de teslas , corrientes del orden de megaamperios y tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos. ^{[ 2 ]} Generar corrientes de esta magnitud es relativamente sencillo, y se han utilizado varios dispositivos, desde grandes bancos de condensadores hasta generadores homopolares . Sin embargo, generar los campos magnéticos necesarios es otro problema, que generalmente requiere costosos imanes superconductores . Para cualquier diseño de reactor dado, el costo generalmente está dominado por el costo de los imanes.

En un tokamak , para obtener un plasma estable,${\displaystyle \beta }$siempre es mucho menor que  1 (de lo contrario, la presión térmica haría que el plasma creciera y se moviera en la cámara de vacío hasta que se perdiera el confinamiento). ^{[ 4 ]} Idealmente, un dispositivo MCF querría tener el beta más alto posible, ya que esto implicaría la cantidad mínima de fuerza magnética necesaria para el confinamiento. En la práctica, la mayoría de los tokamaks operan con un beta del orden de 0,01, o 1%. Los tokamaks esféricos suelen operar con valores de beta un orden de magnitud mayor. El récord lo estableció el dispositivo START con 0,4, o 40%. ^{[ 5 ]}

Estos bajos valores de beta alcanzables se deben a inestabilidades en el plasma generadas por la interacción de los campos y el movimiento de las partículas debido a la corriente inducida. A medida que aumenta la cantidad de corriente en relación con el campo externo, estas inestabilidades se vuelven incontrolables. En los primeros experimentos de pinzamiento, la corriente dominaba los componentes del campo y las inestabilidades de torsión y salchicha eran comunes, hoy denominadas colectivamente "inestabilidades de bajo n". A medida que aumenta la intensidad relativa del campo magnético externo, estas inestabilidades simples se amortiguan, pero en un campo crítico aparecerán invariablemente otras "inestabilidades de alto n", en particular el modo de abombamiento . Para cualquier diseño de reactor de fusión dado, existe un límite para el beta que puede soportar. Como beta es una medida de mérito económico, un reactor de fusión práctico basado en tokamak debe ser capaz de soportar un beta por encima de un valor crítico, que se calcula en torno al 5%. ^{[ 6 ]}

Durante la década de 1980, la comprensión de las inestabilidades de alto n creció considerablemente. Shafranov y Yurchenko publicaron por primera vez sobre el tema en 1971 en una discusión general sobre el diseño de tokamaks, pero fue el trabajo de Wesson y Sykes en 1983 ^{[ 7 ]} y Francis Troyon en 1984 ^{[ 8 ]} el que desarrolló completamente estos conceptos. Las consideraciones de Troyon, o el "límite de Troyon", coincidieron estrechamente con el rendimiento real de las máquinas existentes. Desde entonces, se ha generalizado su uso, hasta el punto de que a menudo se le conoce simplemente como el límite beta en los tokamaks.

El límite de Troyón se expresa como:

${\displaystyle \beta _{\text{max}}={\frac {\beta _{N}I}{aB_{0}}}}$^{[ 9 ]}

donde I es la corriente de plasma,${\displaystyle B_{0}}$es el campo magnético externo, y a es el radio menor del tokamak (véase toroide para una explicación de las direcciones).${\displaystyle \beta _{N}}$se determinó numéricamente y normalmente se da como 0,028 si I se mide en megaamperios. Sin embargo, también es común usar 2,8 si${\displaystyle \beta _{\text{max}}}$se expresa como un porcentaje. ^{[ 9 ]}

Dado que el límite de Troyon sugería una${\displaystyle \beta _{\text{max}}}$alrededor del 2,5 al 4%, y un reactor práctico tenía que tener un${\displaystyle \beta _{\text{max}}}$alrededor del 5%, el límite de Troyon fue una seria preocupación cuando se introdujo. Sin embargo, se descubrió que${\displaystyle \beta _{N}}$cambió drásticamente con la forma del plasma, y ​​los sistemas no circulares tendrían un rendimiento mucho mejor. Los experimentos en la máquina DIII-D (la segunda D se refiere a la forma de la sección transversal del plasma) demostraron un rendimiento superior, ^{[ 10 ]} y el diseño de tokamak esférico superó el límite de Troyon en aproximadamente 10 veces. ^{[ 11 ]}

Beta también se usa a veces al hablar de la interacción del plasma en el espacio con diferentes campos magnéticos. Un ejemplo común es la interacción del viento solar con los campos magnéticos del Sol ^{[ 12 ]} o de la Tierra ^{[ 13 ]} . En este caso, los valores beta de estos fenómenos naturales suelen ser mucho menores que los observados en los diseños de reactores; la corona solar tiene un valor beta de alrededor del 1% ^{[ 12 ]} . Las regiones activas tienen valores beta mucho mayores, superiores a 1 en algunos casos, lo que hace que la zona sea inestable ^{[ 14 ] .}