Configuración con campo invertido

Una configuración de campo invertido ( FRC ) es un tipo de dispositivo de plasma estudiado como medio para producir fusión nuclear . Confina un plasma en líneas de campo magnético cerradas sin penetración central. ^{[ 1 ] [ 2 ]} En una FRC, el plasma tiene la forma de un toro autoestable, similar a un anillo de humo .

Los FRC están estrechamente relacionados con otro dispositivo de fusión por confinamiento magnético autoestable , el esferomak . Ambos se consideran parte de la clase de dispositivos de fusión toroidales compactos . Los FRC normalmente tienen un plasma más alargado que los esferomaks, con una forma general similar a la de una salchicha ahuecada, en lugar de la forma aproximadamente esférica de un esferomak.

Los FRC fueron un área importante de investigación en las décadas de 1960 y 1970, pero tuvieron problemas para escalarse a productos triples de fusión prácticos (combinaciones objetivo de densidad, temperatura y tiempo de confinamiento). El interés regresó en la década de 1990 y a partir de 2019Los FRC eran un área de investigación activa.

El FRC se observó por primera vez en laboratorios a finales de la década de 1950 durante experimentos de pinzamiento theta con un campo magnético de fondo invertido. ^{[ 3 ]} La idea original se atribuyó al científico e ingeniero griego Nicholas C. Christofilos, quien desarrolló el concepto de capas E para el reactor de fusión Astron . ^{[ 4 ]}

Los primeros estudios se realizaron en el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) en la década de 1960. Se recopiló una cantidad considerable de datos, con más de 600 artículos publicados. ^{[ 5 ]} Casi toda la investigación se llevó a cabo durante el Proyecto Sherwood en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) de 1975 a 1990, ^{[ 6 ]} y durante 18 años en el Laboratorio de Física de Plasmas de Redmond de la Universidad de Washington , ^{[ 7 ]} con el experimento de s grande (LSX). ^{[ 8 ]}

La investigación posterior se llevó a cabo en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), ^{[ 9 ]} el Instituto de Tecnología de Fusión (FTI) de la Universidad de Wisconsin-Madison , ^{[ 10 ]} el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton , ^{[ 11 ]} y la Universidad de California, Irvine . ^{[ 12 ]}

Actualmente, empresas privadas estudian los FRC para la generación de electricidad, entre ellas General Fusion , TAE Technologies y Helion Energy . ^{[ 13 ]}

El propulsor de fuerza de Lorentz sin electrodos (ELF), desarrollado por MSNW, fue un intento de diseñar un dispositivo de propulsión espacial. ^{[ 14 ]} El ELF fue un candidato en el programa de propulsión eléctrica avanzada NextSTEP de la NASA , junto con el propulsor Hall de canal anidado X-3 y VASIMR ^{[ 15 ]} antes de que MSNW se disolviera.

Su principal aplicación es la generación de energía por fusión.

El FRC también se considera para la exploración del espacio profundo , no solo como una posible fuente de energía nuclear, sino como un medio para acelerar un propulsor a altos niveles de impulso específico (I _sp ) para naves espaciales de propulsión eléctrica y cohetes de fusión , con interés expresado por la NASA . ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}

La producción de energía de fusión mediante el confinamiento del plasma con campos magnéticos es más eficaz si las líneas de campo no penetran superficies sólidas, sino que se cierran sobre sí mismas formando círculos o superficies toroidales. Los conceptos principales de confinamiento de tokamak y estelarador logran esto en una cámara toroidal, lo que permite un gran control sobre la configuración magnética, pero requiere una construcción muy compleja. La configuración de campo invertido ofrece una alternativa, ya que las líneas de campo se cierran, proporcionando un buen confinamiento, pero la cámara es cilíndrica, lo que permite una construcción y un mantenimiento más sencillos. ^{[ 21 ]}

Las configuraciones de campo invertido y los esferomaks se conocen conjuntamente como toroides compactos . Los esferomaks y los FRC se diferencian en que un esferomak posee un campo toroidal adicional. Este campo toroidal puede extenderse en la misma dirección o en la opuesta a la del plasma giratorio. ^{[ 22 ]} En el esferomak, la intensidad del campo magnético toroidal es similar a la del campo poloidal . Por el contrario, el FRC tiene un componente de campo toroidal mínimo o nulo y está confinado únicamente por un campo poloidal. La ausencia de un campo toroidal implica que el FRC carece de helicidad magnética y presenta un beta elevado . Este beta elevado hace que el FRC sea atractivo como reactor de fusión y idóneo para combustibles aneutrónicos debido al bajo campo magnético requerido. Los esferomaks tienen β  ≈  0,1, mientras que un FRC típico tiene β  ≈  1. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

En los experimentos modernos de FRC, la corriente de plasma que invierte el campo magnético se puede inducir de diversas maneras.

Cuando se forma una configuración de campo invertido mediante el método theta-pinch (o campo eléctrico inductivo), una bobina cilíndrica produce primero un campo magnético axial. A continuación, el gas se preioniza, lo que "congela" el campo de polarización desde un punto de vista magnetohidrodinámico ; finalmente, el campo axial se invierte, dando lugar a la "configuración de campo invertido". En los extremos, se produce la reconexión del campo de polarización y el campo principal, generando líneas de campo cerradas. El campo principal se eleva aún más, comprimiendo y calentando el plasma y proporcionando un campo de vacío entre el plasma y la pared. ^{[ 25 ]}

Se sabe que los haces neutros impulsan la corriente en los Tokamaks ^{[ 26 ]} mediante la inyección directa de partículas cargadas. Los FRC también pueden formarse, mantenerse y calentarse mediante la aplicación de haces neutros. ^{[ 24 ] [ 27 ]} En experimentos como el anterior, una bobina cilíndrica produce un campo magnético axial uniforme y se introduce gas que se ioniza, creando un plasma de fondo. A continuación, se inyectan partículas neutras en el plasma. Estas se ionizan y las partículas más pesadas, con carga positiva, forman un anillo de corriente que invierte el campo magnético.

Los esferomaks son configuraciones similares a FRC con un campo magnético toroidal finito. Los FRC se han formado mediante la fusión de esferomaks con campos toroidales opuestos y cancelantes. ^{[ 28 ]}

También se han utilizado campos magnéticos rotatorios para impulsar corriente. ^{[ 29 ]} En experimentos como el anterior, se ioniza el gas y se produce un campo magnético axial. Bobinas magnéticas externas perpendiculares al eje de la máquina generan un campo magnético rotatorio, cuya dirección se rota alrededor del eje. Cuando la frecuencia de rotación se encuentra entre las frecuencias giromagnéticas de iones y electrones, los electrones del plasma corrotan con el campo magnético (son arrastrados), produciendo corriente e invirtiendo el campo magnético. Más recientemente, se han utilizado campos magnéticos rotatorios de paridad impar ^{[ 30 ] [ 31 ]} para preservar la topología cerrada del FRC. Se demostró analíticamente que, a una magnitud umbral crítica muy alta del campo magnético rotatorio de paridad impar, las líneas de campo magnético de equilibrio axisimétricas pierden su cierre y cambian fundamentalmente la topología del campo. ^{[ 31 ]}

Los FRC contienen una característica importante y poco común: un "nulo magnético", o línea circular en la que el campo magnético es cero. Esto es necesariamente así, ya que dentro del nulo el campo magnético apunta en una dirección y fuera del nulo apunta en la dirección opuesta. Las partículas lejos del nulo trazan órbitas ciclotrónicas cerradas, como en otras geometrías de fusión magnética. Sin embargo, las partículas que cruzan el nulo no trazan órbitas ciclotrónicas o circulares, sino órbitas betatrónicas o en forma de ocho, ^{[ 32 ]} ya que la curvatura de la órbita cambia de dirección al cruzar el nulo magnético.

Debido a que las órbitas de las partículas no son ciclotrónicas, los modelos de comportamiento del plasma basados ​​en el movimiento ciclotrónico, como la magnetohidrodinámica (MHD), no son aplicables en la región alrededor del punto nulo. El tamaño de esta región está relacionado con el parámetro s, ^{[ 33 ]} o la relación entre la distancia entre el punto nulo y la separatriz, y el radio de giro del ion térmico. A valores altos de s, la mayoría de las partículas no cruzan el punto nulo y este efecto es despreciable. A valores bajos de s, ~2, este efecto predomina y se dice que la FRC es "cinética" en lugar de "MHD".

A bajos parámetros s, la mayoría de los iones dentro de un FRC siguen grandes órbitas betatrónicas (su radio de giro promedio es aproximadamente la mitad del tamaño del plasma), que son típicas en la física de aceleradores más que en la física de plasmas . Estos FRC son muy estables porque el plasma no está dominado por partículas de radio de giro pequeño habituales como otros plasmas termodinámicos en equilibrio o no térmicos . Su comportamiento no se describe mediante la magnetohidrodinámica clásica , por lo que no hay ondas de Alfvén y casi no hay inestabilidades MHD a pesar de su predicción teórica, y evita el típico "transporte anómalo", es decir, procesos en los que se produce una pérdida excesiva de partículas o energía . ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

A partir del año 2000Se están estudiando varias inestabilidades restantes:

• Los modos de inclinación y desplazamiento . Estas inestabilidades pueden mitigarse incluyendo un conductor estabilizador pasivo, formando plasmas muy achatados (es decir, plasmas muy alargados) ^{[ 37 ]} o creando un campo toroidal autogenerado ^{[ 38 ]} . El modo de inclinación también se ha estabilizado en experimentos FRC aumentando los radios de giro de los iones ^{[ 33 ] .}
• La inestabilidad magnetorrotacional . Este modo provoca una distorsión elíptica rotacional del límite del plasma y puede destruir el FRC cuando el plasma distorsionado entra en contacto con la cámara de confinamiento. ^{[ 39 ]} Los métodos de estabilización exitosos incluyen el uso de un campo estabilizador cuadrupolar, ^{[ 40 ] [ 41 ]} y los efectos de un campo magnético rotacional (RMF). ^{[ 42 ] [ 43 ]}

Se han considerado dispositivos de configuración de campo invertido para la propulsión de naves espaciales. Al inclinar las paredes del dispositivo hacia afuera, el plasmoide puede acelerarse en dirección axial y salir del dispositivo, generando empuje.

• Charlas técnicas de Google: Fusión nuclear: Energía limpia para los próximos cien siglos
• Universidad de Washington "Introducción al FRC"