Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

cúspide bicónica

El reactor de cúspide bicónica , también conocido como reactor de valla , fue una de las primeras propuestas para el confinamiento de plasma en un reactor de fusión . [ 1 ] Cons...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita

El reactor de cúspide bicónica , también conocido como reactor de valla , fue una de las primeras propuestas para el confinamiento de plasma en un reactor de fusión . [ 1 ] Consiste en dos electroimanes paralelos con corriente que fluye en direcciones opuestas, creando campos magnéticos de direcciones opuestas . Los dos campos interactúan para formar una "zona nula" entre ellos donde se puede atrapar el combustible de fusión.

El concepto surgió como reacción a una cuestión planteada por Edward Teller en 1953. Teller señaló que cualquier diseño que contuviera el plasma en el interior de campos magnéticos cóncavos sería inherentemente inestable. El concepto de cúspide empleaba campos convexos, y el plasma se mantenía dentro de un área con poco o ningún campo magnético en el interior del dispositivo. El concepto fue presentado de forma independiente en 1954 por Harold Grad en el Instituto Courant de Nueva York y por James L. Tuck en Los Álamos .

Al principio, el diseño despertó poco interés porque el problema de Teller no se observaba en otras máquinas de fusión tempranas. A finales de la década de 1950, quedó claro que todas estas máquinas presentaban graves problemas, y el de Teller era solo uno de muchos. Esto reavivó el interés en la cúspide, y se construyeron varias máquinas para probar el concepto a principios de la década de 1960. Todos estos dispositivos presentaban fugas de plasma de combustible a un ritmo mucho mayor del previsto, y la mayor parte del trabajo sobre el concepto finalizó a mediados de la década de 1960. Posteriormente, Mikhail Ioffe demostró la causa de estos problemas.

Un dispositivo posterior que comparte cierto diseño con la cúspide es el concepto de pozo de polímero de la década de 1990. Este puede considerarse como múltiples cúspides dispuestas en tres dimensiones.

Historia

Desarrollo temprano

El espejo magnético es un ejemplo de dispositivo con campos cóncavos. Este tipo de "curvatura desfavorable" provoca que el plasma sea expulsado hacia afuera en estas áreas, cerca de las zonas donde se producen movimientos de partículas.

En 1953, en una reunión ahora famosa pero entonces secreta, Edward Teller planteó el problema teórico de la inestabilidad de flauta . Esto sugería que cualquier máquina de fusión que confinara el plasma en el interior de un campo curvo, en lugar de en el exterior de la curvatura, sería inherentemente inestable y expulsaría rápidamente su plasma. Este tipo de "curvatura desfavorable" formaba parte de casi todos los diseños de la época, incluyendo el z-pinch , el estelarador y los espejos magnéticos . Todos estos diseños tenían curvas con el plasma en el interior de campos cóncavos y se esperaba que fueran inestables. [ 2 ]

En aquel entonces, las primeras máquinas que se estaban construyendo no mostraban evidencia de este problema, pero eran demasiado pequeñas para demostrarlo de manera concluyente. Se observaban otras inestabilidades, algunas muy graves, pero la flauta simplemente no aparecía. Sin embargo, varios investigadores comenzaron a considerar nuevos conceptos que no utilizaban este tipo de disposición de campo y que, por lo tanto, serían naturalmente estables. El concepto de cúspide fue desarrollado independientemente en 1954 por James L. Tuck en Los Alamos y Harold Grad en la Universidad de Nueva York . [ 3 ] El diseño de Tuck difería del de Grad principalmente en que consistía en una serie de cúspides colocadas en línea. [ 4 ] Se consideró que una versión de una sola cúspide era un dispositivo más simple para probar el concepto, y se construyó un conjunto de imanes para una de estas máquinas en Los Alamos. [ 3 ]

Los cálculos realizados en Los Alamos indicaron que el plasma escaparía del reactor debido a que las líneas magnéticas estaban "abiertas" y los iones que seguían una trayectoria determinada podrían abandonar el núcleo. Esto significaba que el reactor de tipo "valla" perdería plasma rápidamente, independientemente de su estabilidad, y no sería útil como reactor generador de energía. A pesar de ello, aún podría ser útil para fines experimentales si retuviera su plasma durante más tiempo que los dispositivos inestables, lo que les daría tiempo para realizar mediciones que serían imposibles en otros dispositivos. El trabajo de Grad halló otra solución: aunque la fuga de plasma era rápida a baja densidad, a mayor densidad la autorrepulsión entre los iones y los electrones lo atraparía durante mucho más tiempo. Parecía haber varias maneras de lograrlo. [ 5 ]

Antes de que se considerara más a fondo el sistema, los resultados de versiones más recientes de los otros diseños parecían indicar que el problema de Teller simplemente no se estaba observando, o al menos estaba muy por debajo de las predicciones. Entre ellos, el concepto de pinza había estado demostrando serios problemas, pero Tuck y otros habían continuado estudiando el sistema e introduciendo nuevas soluciones. La "pinza estabilizada" resultante pareció resolver los problemas de estabilidad y se comenzó a construir una nueva serie de máquinas de pinza mucho más grandes, encabezada por el reactor ZETA en el Reino Unido. El interés en la cúspide disminuyó a medida que los otros enfoques parecían estar al borde de producir fusión. [ 2 ] El conjunto de imanes de Los Alamos se puso en almacenamiento. [ 3 ] El grupo de Grad también había abandonado en gran medida el concepto a finales de 1956. [ 6 ]

Interés renovado

Las cúspides bicónicas disponen sus campos de manera que el plasma no quede confinado en campos cóncavos y se evite la inestabilidad de flauta.

A principios de 1958, los británicos anunciaron que ZETA había producido fusión nuclear. Meses después, se vieron obligados a publicar una retractación, señalando que los neutrones que habían observado no provenían de eventos de fusión, sino de un nuevo tipo de inestabilidad que no se había visto anteriormente. Durante el año siguiente, se observaron problemas similares en todos los diseños y la ilusión de progreso se desvaneció. [ 7 ]

Mientras se estudiaban los problemas, se reconsideró el trabajo original sobre el diseño de cúspide. La fuente de alimentación de la primera máquina en Los Alamos había estado almacenada durante años, y luego se sacó del depósito y se utilizó para construir el Picket Fence I de una sola cúspide . Su simplicidad hizo que se construyeran sistemas similares en General Atomics , Livermore , Harwell , la Universidad de Utrecht y el Instituto de Járkov , el Instituto de Tecnología Stevens y otros. [ 3 ]

Para 1960, Picket Fence había superado varios problemas iniciales. Los resultados iniciales que medían la luz emitida por el plasma caliente sugerían que era estable durante hasta 1  milisegundo, pero diagnósticos posteriores demostraron que esto era solo unos pocos microsegundos y que la luz era el resultado de una especie de resplandor residual. Las mejoras en el dispositivo dieron como resultado ganancias significativas, y el confinamiento del plasma mejoró a unos 50  microsegundos, [ 3 ] pero esto todavía era mucho menos de lo deseado.

Descripción

Los campos magnéticos en este sistema fueron creados por electroimanes colocados muy cerca uno del otro. Esta era una construcción teórica utilizada para modelar cómo contener el plasma . Los campos fueron creados por dos bobinas de alambre enfrentadas. Estos electroimanes tenían polos que se enfrentaban y en el centro había un punto nulo en el campo magnético. Esto también se denominó campo de punto cero. Estos dispositivos fueron explorados teóricamente por el Dr. Harold Grad en el Instituto Courant de la NYU a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Debido a que los campos eran simétricos en el plano, este sistema de plasma fue sencillo de modelar.

Comportamiento de las partículas

Las simulaciones de estas geometrías revelaron la existencia de tres clases de partículas. [ 11 ] La primera clase se movía de un lado a otro lejos del punto nulo . Estas partículas se reflejarían cerca de los polos de los electroimanes y la cúspide plana en el centro. Esta reflexión se debía al efecto de espejo magnético . [ 12 ] [ 13 ] Estas son partículas muy estables, pero su movimiento cambia a medida que irradian energía con el tiempo. Esta pérdida de radiación surgió de la aceleración o desaceleración por el campo y se puede calcular utilizando la fórmula de Larmor . [ 14 ] La segunda partícula se movía cerca del punto nulo en el centro. Debido a que las partículas pasaban por lugares sin campo magnético , sus movimientos podían ser rectilíneos, con un radio de giro infinito . Este movimiento rectilíneo hacía que la partícula hiciera una trayectoria más errática a través de los campos. La tercera clase de partículas era una transición entre estos tipos. Las cúspides bicónicas se han revivido recientemente debido a su geometría similar a la del reactor de fusión Polywell . [ 15 ]

Referencias

Citas

  1. ^ Contención en un sistema de plasma en cúspide , Harold Grad, NYO-9496
  2. 1 2 Tuck 1954 , pág. 278.
  3. 1 2 3 4 5 No 1960 , pág. 723.
  4. ↑ Tuck 1954 , pág. 279.
  5. ↑ Bishop 1958 , pág. 141.
  6. ↑ Bishop 1958 , pág. 142.
  7. ↑ Bishop 1958 , pág. 87.
  8. ↑ J. Berowitz, H. Grad y H. Rubin, en las actas de la segunda Conferencia Internacional de las Naciones Unidas sobre los Usos Pacíficos de la Energía Atómica, Ginebra, 1958, vol. 31, pág. 177
  9. ^ Grad, H. Teoría de las geometrías cúspides, I. Estudio general, NYO-7969, Inst. Matemáticas. Ciencia, Universidad de Nueva York, 1 de diciembre de 1957
  10. ^ Berkowitz, J., Teoría de las geometrías cúspides, II. Pérdidas de partículas, NYO-2530, Inst. Matemáticas. Sci., Universidad de Nueva York, 6 de enero de 1959.
  11. ↑ Van Norton R (1961). El movimiento de una partícula cargada cerca de un punto de campo cero . Nueva York: Universidad de Nueva York: Instituto Courant de Ciencias Matemáticas.{{cite book}}: CS1 mantenimiento: ubicación del editor ( enlace )
  12. ↑ MP Srivastava y PK Bhat (1969). Movimiento de una partícula cargada en campos superpuestos de heliotrón y cúspide bicónica. Journal of Plasma Physics, 3, pp 255-267. doi:10.1017/S0022377800004359.
  13. ↑ F. Chen, Introducción a la física del plasma y la fusión controlada (Plenum, Nueva York, 1984), vol. 1, págs. 30-34. ISBN 978-0-306-41332-2
  14. ↑ J. Larmor, "Sobre una teoría dinámica del medio eléctrico y luminífero", Philosophical Transactions of the Royal Society 190, (1897) pp. 205–300 (Tercero y último de una serie de artículos con el mismo nombre)
  15. ↑ Confinamiento de beta baja en un Polywell modelado con teorías convencionales de cúspide puntual, Physics of Plasma 18.112501 (2011)

Bibliografía

  • Tuck, James (octubre de 1954). Picket Fence (PDF) . Conferencia sobre reacciones termonucleares. págs. 278–285 . 
  • Bishop, Amasa (1958). Proyecto Sherwood: El programa estadounidense de fusión controlada . Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos.
  • "Ciencia (no)ficción en Los Alamos" . Revista ARS . 30 (8). Agosto de 1960.

Lecturas adicionales

Trabajo de simulación de cúspide bicónica