Dinamak

Dynomak es un concepto de reactor de fusión esferomak ^{[ 1 ]} desarrollado por la Universidad de Washington con fondos del Departamento de Energía de los Estados Unidos . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Un dynomak es un esferomak que se inicia y mantiene mediante inyección de flujo magnético . Se forma cuando se utiliza una corriente alterna para inducir un flujo magnético en el plasma . Un transformador de corriente alterna eléctrica utiliza el mismo proceso de inducción para crear una corriente secundaria. Una vez formado, el plasma dentro de un dynomak se relaja hasta su estado de energía más bajo, conservando el flujo total. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Esto se denomina estado de Taylor y dentro de la máquina lo que se forma es una estructura de plasma llamada esferomak . Un dynomak es un tipo de esferomak que se inicia y se impulsa mediante campos magnéticos inducidos externamente.

El plasma es un fluido que conduce electricidad, lo que le confiere la propiedad única de que puede autoestructurarse en anillos de vórtice (por ejemplo, objetos similares a anillos de humo ) que incluyen configuraciones de campo invertido y esferomaks . Un plasma estructurado tiene la ventaja de ser más caliente, más denso y más controlable, lo que lo convierte en una buena opción para un reactor de fusión. ^{[ 6 ]} Pero la formación de estas estructuras de plasma ha sido un desafío desde que se observaron las primeras estructuras en 1959 ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} porque son inherentemente inestables.

En 1974, el Dr. John B. Taylor propuso que se podría formar un esferomak induciendo un flujo magnético en un plasma en bucle. El plasma se relajaría entonces de forma natural en un esferomak , también denominado estado de Taylor . ^{[ 10 ] [ 5 ]} Este proceso funcionaba si el plasma:

• Se conservó el flujo magnético total.
• Minimizó la energía total

Más tarde, en 1979, Marshall Rosenbluth verificó estas afirmaciones. ^{[ 11 ]} En 1974, el Dr. Taylor solo pudo utilizar los resultados del dispositivo de pinzamiento ZETA para respaldar estas afirmaciones. Pero, desde entonces, se han formado estados de Taylor en múltiples máquinas, entre ellas:

• Experimento de toro compacto (CTX) en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL). El CTX funcionó desde aproximadamente 1979 hasta aproximadamente 1987. Alcanzó temperaturas electrónicas de 4,6 millones de kelvin ^{[ 12 ]} funcionó durante 3 microsegundos ^{[ 13 ]} y tuvo una relación de presión de plasma a presión magnética de 0,2. ^{[ 14 ]}
• El experimento de física de esferomak sostenido (SSPX) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) fue una versión más avanzada del CTX que se utilizó para medir el proceso de relajación que conduce a un estado de Taylor. La máquina funcionó desde 1999 hasta 2007. ^{[ 15 ]}
• El experimento Spheromak de Caltech, en el Instituto Tecnológico de California (Caltech), fue una pequeña máquina operada por el laboratorio del Dr. Paul Bellans, desde aproximadamente el año 2000 hasta aproximadamente el año 2010.
• El sistema inductivo toroidal estacionario con inyección de helicidad (HIT-SI) de la Universidad de Washington fue operado por el Dr. Jarboe desde aproximadamente 2004 hasta aproximadamente 2012. Fue el precursor del dynomak. La máquina generó 90 kiloamperios de corriente de plasma estable durante unos pocos (<2) microsegundos, ^{[ 16 ]} y demostró el primer impulso de corriente de dinamo impuesto (IDCD) en 2011. ^{[ 17 ]} El avance del IDCD permitió al grupo del Dr. Jarboe concebir la primera versión a escala de reactor de esta máquina, denominada dynomak.

El dynomak evolucionó a partir del experimento HIT-SI. HIT-SI pasó por varias actualizaciones: el HIT-SI3 (~2013 a ~2020) y el HIT-SIU (posterior a ~2020), ambos variantes de la misma máquina. ^{[ 18 ]} Estas máquinas demostraron que se puede utilizar una corriente inductiva para crear y mantener una estructura de plasma de esferomak.

Por definición, un dynomak es una estructura de plasma que se inicia, forma y mantiene mediante la inyección de flujo magnético. Los transformadores eléctricos utilizan un proceso similar: se crea un flujo magnético en el circuito primario, lo que genera una corriente alterna en el circuito secundario. Debido a la ley de inducción de Faraday , solo un campo magnético variable puede inducir una corriente secundaria; por eso no puede existir un transformador de corriente continua. En un dynomak, la inducción magnética se utiliza para crear una corriente de plasma dentro de una cámara llena de plasma. Esto hace que el plasma se mueva y el sistema finalmente se relaja hasta alcanzar un estado de Taylor o esferomak . El proceso de relajación implica el flujo de helicidad magnética (una torsión en las líneas de campo) desde los inyectores hacia el centro de la máquina. ^{[ 19 ]}

Los defensores de este método de calentamiento han argumentado que la inducción es entre dos y tres órdenes de magnitud más eficiente que el calentamiento por radiofrecuencia (RF) o por haces neutros. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Si esto es cierto, le otorga a un dynomak varias ventajas distintivas sobre otros métodos de fusión como los tokamaks o los espejos magnéticos . Pero esta es un área de investigación abierta; a continuación se muestran algunos ejemplos de la eficacia del accionamiento inductivo para crear corriente de plasma dentro de un dynomak.

Un dinamómetro utiliza inyectores, que son brazos curvos conectados a la cámara principal. Se aplica una corriente alterna alrededor de la curva de estos brazos, lo que crea el flujo magnético que impulsa el dinamómetro. La Universidad de Washington experimentó con dos y tres inyectores. La fase de la corriente alterna se desfasa para permitir la inyección continua de flujo en el dinamómetro. El número de inyectores afecta al ángulo de desfase: la corriente de impulsión, y por lo tanto los inyectores, se desfasan 90 grados con dos inyectores y 60 grados con tres inyectores.

Una estructura de plasma esferomak se forma de forma natural, sin necesidad de tecnología adicional. Sus defensores argumentan que esto confiere a los dynomaks varias ventajas inherentes, entre ellas:

• Podría evitar la torsión, el intercambio y otras inestabilidades del plasma que normalmente afectan a las estructuras de plasma. Por esta razón, un dynomak podría presurizar y calentar un plasma hasta el límite de Mercer en número beta. ^{[ 22 ]} De ser cierto, esto podría reducir el tamaño de un reactor en comparación con otros enfoques de fusión.
• Un accionamiento inductivo puede ser de 2 a 3 órdenes de magnitud más eficiente que el calentamiento mediante RF o haz neutro. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Esta es un área de investigación abierta.
• Es posible que un generador dynomak no necesite ningún componente de calefacción adicional, como la inyección de haz neutro.
• Un dynomak no tiene solenoide central , a diferencia de un tokamak, lo que reduce la masa, el coste y las necesidades de energía para el funcionamiento del reactor.

En 2014, ^{las densidades} de plasma alcanzaron 5 × ^10¹⁹  m⁻³ , las temperaturas 60 eV y el tiempo máximo de operación 1,5 ms. No se disponía de datos sobre el tiempo de confinamiento. A esas temperaturas, no se producen fusión, calentamiento alfa ni producción de neutrones.  

Una vez demostrados los principios técnicos en la máquina HIT-SI, el Dr. Jarboe desafió a sus estudiantes de una clase de la Universidad de Washington a diseñar un reactor de fusión basado en este enfoque. ^{[ 2 ]} Los estudiantes diseñaron el dinamómetro como una central eléctrica a nivel de reactor que se basaba en los descubrimientos realizados con la HIT-SI y máquinas anteriores.

Finalmente, estos estudiantes formaron CTFusion como una empresa derivada de la Universidad de Washington para comercializar el dynomak en 2015. ^{[ 23 ]} La empresa posee los derechos exclusivos de 3 patentes universitarias y recaudó más de 3,6 millones de dólares entre 2015 y 2019 en fondos públicos y privados. ^{[ 24 ]} El acrónimo CT significa toroide compacto , nombre con el que se conocían los esferomaks durante décadas. La empresa recibió financiación como parte de una subvención de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada - Energía ( ARPA-E ) para la fusión. CTFusion cerró en 2023. ^{[ 25 ]}

A diferencia de otros diseños de reactores de fusión (como ITER ), un dynomak puede ser, según su equipo de ingeniería, comparable en costos a una central eléctrica de carbón convencional . ^{[ 2 ]} Se calcula que un dynomak costaría una décima parte de ITER y produciría cinco veces más energía con una eficiencia del 40 por ciento. Un dynomak de un gigavatio costaría US$2700 millones en comparación con US$2800 millones para una central eléctrica de carbón. ^{[ 26 ]}

Dynomak incorpora un sistema de bombeo criogénico desarrollado por ITER. Spheromak utiliza un esferoide achatado en lugar de una configuración de tokamak , sin núcleo central ni grandes y complejos imanes superconductores como en muchos tokamaks, por ejemplo, ITER. Los campos magnéticos se producen al introducir campos eléctricos en el centro del plasma mediante cintas superconductoras enrolladas alrededor del recipiente, de modo que el plasma se autocontiene. ^{[ 26 ]}

Un dynomak es más pequeño, sencillo y económico de construir que un tokamak, como el ITER, a la vez que produce más energía. La reacción de fusión es autosostenible, ya que el exceso de calor se extrae mediante una capa de sal fundida para alimentar una turbina de vapor. ^{[ 26 ]} El prototipo tenía aproximadamente una décima parte de la escala de un proyecto comercial y puede mantener el plasma de manera eficiente. Una mayor producción requeriría una mayor escala y una temperatura de plasma más alta. ^{[ 2 ]}

Un dinamo se basa en una pared de cobre para conservar y dirigir el flujo magnético que se inyecta en la máquina. Esta pared está en contacto directo con el plasma, lo que puede generar altas pérdidas por conducción a través del metal. El HIT-SI recubrió el interior de la pared de cobre con un aislante de óxido de aluminio para reducir estas pérdidas, pero esto aún podría representar un mecanismo de pérdida importante si la máquina opera en condiciones de reactor de fusión. ^{[ 27 ]}

Además, la inyección de helicidad magnética en el campo obliga a la máquina a romper las superficies de flujo magnético que mantienen la estructura del plasma. Se ha citado la ruptura de estas superficies como una de las razones por las que el mecanismo de calentamiento de un dinamómetro no funciona con la eficiencia prevista.

Por último, un dynomak tiene una geometría de cámara compleja, lo que complica y plantea desafíos para el mantenimiento y el conformado al vacío.

• Esferomak
• Configuración de campo invertido , un concepto similar
• Tokamak esférico , esencialmente un esferomak formado alrededor de un conductor-imán central.
• Estado de Taylor
• Juan Bryan Taylor
• Lista de empresas de fusión nuclear