Stellarator

En 1934, Mark Oliphant , Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en crear fusión, utilizando un acelerador de partículas para disparar núcleos de deuterio contra una lámina metálica que contenía deuterio , litio u otros elementos. ^{[ 4 ]} Estos experimentos les permitieron medir la sección transversal nuclear de varias reacciones de fusión entre núcleos. Determinaron que la reacción tritio -deuterio ocurría a una energía menor que cualquier otro combustible, alcanzando un pico de aproximadamente 100 000 electronvoltios (100 keV). ^{[ 5 ] [ a ]}  

100  keV corresponden a una temperatura de aproximadamente mil millones de kelvin . Como describe la estadística de Maxwell-Boltzmann , un gas a granel a una temperatura mucho menor aún contendrá algunas partículas a estas energías. Debido a que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso un pequeño número de dichas reacciones puede liberar la energía suficiente para mantener el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi demostró que esto ocurriría a una temperatura global de aproximadamente 50  millones de  grados Celsius, dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar el plasma; ningún contenedor de material podía soportar esas temperaturas. Sin embargo, los plasmas son conductores eléctricos, lo que los somete a campos eléctricos y magnéticos. ^{[ 6 ]}

En un campo magnético, los electrones y núcleos del plasma orbitan alrededor de las líneas de fuerza magnéticas. Un método de confinamiento consiste en colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide . Un solenoide crea líneas magnéticas que recorren su centro, y el combustible se mantendría alejado de las paredes al orbitar alrededor de estas líneas de fuerza. Sin embargo, esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo en forma de toroide (anillo), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan orbitar indefinidamente. ^{[ 7 ]}

Sin embargo, por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toroide están más juntos en la curva interior, dentro del "agujero de la rosquilla". Fermi observó que esto provocaría que los electrones se alejaran de los núcleos, generando finalmente grandes voltajes. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma dentro del toroide se expandiera hasta chocar con las paredes del reactor. ^{[ 7 ]}

Tras la Segunda Guerra Mundial , los investigadores comenzaron a considerar formas de confinar un plasma. George Paget Thomson, del Imperial College de Londres, propuso un sistema conocido como z-pinch , que consiste en hacer circular una corriente a través del plasma. ^{[ 8 ]} Debido a la fuerza de Lorentz , esta corriente crea un campo magnético que atrae el plasma hacia sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes. Esto elimina la necesidad de imanes externos, evitando el problema de Fermi. Varios equipos en el Reino Unido construyeron varios dispositivos experimentales pequeños utilizando esta técnica a finales de la década de 1940. ^{[ 8 ]}

Ronald Richter fue un científico alemán que emigró a Argentina . Su termotrón utilizaba arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para calentar y confinar. Convenció a Juan Perón para que financiara el desarrollo de un reactor experimental. Conocido como el Proyecto Huemul , este se completó en 1951. Richter se convenció de que se había logrado la fusión, a pesar de discrepancias con otros investigadores. ^{[ 9 ]}

Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien mencionó un artículo sobre Huemul en The New York Times . ^{[ 10 ]} Spitzer concluyó que era imposible que funcionara; el sistema no podía proporcionar suficiente energía. Entonces comenzó a considerar alternativas. El concepto del estelarador surgió mientras viajaba en un telesilla . ^{[ 11 ] [ b ]}

Su enfoque consistió en modificar la disposición geométrica del toroide para abordar las preocupaciones de Fermi. Al girar un extremo del toroide con respecto al otro, formando una figura de ocho en lugar de un círculo, las líneas magnéticas se acercaban y se alejaban del centro del toroide. Una partícula que orbita estas líneas se mueve constantemente dentro y fuera del eje menor del toroide, ascendiendo durante la mitad de una órbita e invirtiendo su trayectoria en la otra. La cancelación no es perfecta, pero parecía que esto reduciría suficientemente la deriva neta como para que el combustible permaneciera atrapado el tiempo suficiente para alcanzar las temperaturas requeridas. ^{[ 12 ]}

Un laboratorio de investigación secreto en la Universidad de Princeton continuó con el trabajo teórico sobre bombas de hidrógeno después de 1951. Spitzer fue invitado a unirse a este programa, dada su investigación previa en plasmas interestelares. ^{[ 13 ]}

Spitzer perdió entonces el interés en el diseño de bombas y centró su atención en la fusión como fuente de energía. ^{[ 14 ]} Spitzer elaboró ​​una serie de informes que describían la base conceptual del estelarador, así como los posibles problemas. La serie destaca por su profundidad; incluía un análisis detallado de las matemáticas del plasma y su estabilidad, además del calentamiento del plasma y el tratamiento de las impurezas. ^{[ 15 ]}

Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener financiación. ^{[ 15 ]} Su plan constaba de tres etapas, cada una de las cuales dependía del éxito de la etapa anterior a lo largo de una década: ^{[ 16 ]}

• El modelo A tenía la tarea de demostrar que se podía crear un plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que el de un toroide .
• El modelo B calentaría el plasma hasta alcanzar temperaturas de fusión.
• El modelo C intentaría crear reacciones de fusión a gran escala. ^{[ 17 ]}

Por esa misma época, Jim Tuck conoció el concepto de pinzamiento mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford . Finalmente, terminó en Los Alamos, donde dio a conocer el concepto a los demás investigadores. Cuando supo que Spitzer estaba promoviendo el estelarador, viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de pinzamiento. Consideraba los planes de Spitzer «increíblemente ambiciosos». Sin embargo, Spitzer recibió una financiación de 50 000 dólares, mientras que Tuck no recibió nada. ^{[ 17 ]}

Spitzer, un ávido escalador de montañas, ^{[ c ]} propuso el nombre " Proyecto Matterhorn " porque sentía que "el trabajo en cuestión parecía difícil, como el ascenso a una montaña". ^{[ 18 ]} Inicialmente se establecieron dos secciones: la Sección S, que trabajaba en el estelarador bajo la dirección de Spitzer, y la Sección B, que trabajaba en el diseño de la bomba bajo la dirección de Wheeler. ^{[ d ]} Spitzer instaló la ultrasecreta Sección S en una antigua conejera. ^{[ 19 ]}

Los demás laboratorios comenzaron entonces a presionar para obtener su propia financiación. Tuck logró conseguir financiación para su Perhapsatron a través de presupuestos discrecionales en LANL, pero otros equipos en LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también buscaron fondos. Finalmente, la AEC organizó el Proyecto Sherwood, un nuevo departamento para estos proyectos. ^{[ 20 ]}

Spitzer invitó a James Van Allen a unirse al grupo y establecer un programa experimental. Allen sugirió comenzar con un dispositivo de sobremesa. Esto dio lugar al diseño del Modelo A, cuya construcción comenzó en 1952. Estaba hecho de tubos de Pyrex  de 5 cm de diámetro y unos 350 cm de longitud total, e imanes capaces de alcanzar unos 1000 gauss. ^{[ 21 ]} La máquina comenzó a funcionar a principios de 1953 y demostró claramente una mayor confinación que el toro simple. ^{[ 22 ]}  

Esto dio lugar al Modelo B, cuyos imanes no estaban bien montados y tendían a moverse al alcanzar una potencia de 50 000 gauss. Un segundo diseño fracasó por la misma razón, pero esta máquina demostró generar rayos X  de varios cientos de kilovoltios, lo que sugería un buen confinamiento.

Luego vino el B-1, que utilizó calentamiento óhmico para alcanzar alrededor de 100 000 grados. ^{[ 22 ]} Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma emitían rayos X de gran magnitud que lo enfriaban. En 1956, el B-1 fue reconstruido con un sistema de ultra alto vacío para reducir las impurezas, pero se descubrió que incluso en cantidades menores seguían siendo problemáticas. Otro efecto fue que, durante el proceso de calentamiento, las partículas permanecían confinadas solo durante unas décimas de milisegundo, mientras que, una vez apagado el campo, las partículas restantes permanecían confinadas hasta por 10 milisegundos. Esto parecía deberse a "efectos cooperativos" dentro del plasma. ^{[ 23 ]}

B-2 era similar a B-1, pero utilizaba potencia pulsada para permitirle alcanzar una mayor energía magnética e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como bombeo magnético. Esta máquina fue modificada para añadir un sistema de ultra alto vacío. Desafortunadamente, B-2 demostró poco calentamiento por bombeo magnético, dados sus tiempos de confinamiento más prolongados. Fue exhibido en la feria Átomos para la Paz . ^{[ 23 ]} Sin embargo, las modificaciones del sistema de calentamiento aumentaron el acoplamiento, demostrando temperaturas dentro de la sección de calentamiento tan altas como1000  eV , alrededor de 12 millones de K. ^{[ 21 ] [ e ]}

El B-64 se completó en 1955; era esencialmente un B-1 de mayor tamaño, pero alimentado por pulsos que producían hasta 15 000  gauss. Esta máquina incluía un divertor que eliminaba las impurezas del plasma, reduciendo considerablemente el efecto de enfriamiento por rayos X. El B-64 presentaba secciones rectas en los extremos curvos, lo que le confería una apariencia cuadrada. Esta apariencia dio origen a sus apodos: «figura de ocho al cuadrado», «8 al cuadrado» o «64». En 1956, la máquina se reensambló sin la torsión en los tubos, lo que permitió que las partículas viajaran sin rotación. ^{[ 24 ]}

El B-65, completado en 1957, se construyó utilizando el diseño de "pista de carreras", tras observar que la adición de bobinas helicoidales a las partes curvas del dispositivo producía un campo que introducía la rotación exclusivamente a través de los campos magnéticos resultantes. Esto tenía la ventaja adicional de que el campo magnético incluía cizallamiento , lo que se sabía que mejoraba la estabilidad. ^{[ 24 ]}

El B-3, también completado en 1957, era una versión ampliada del B-2 con vacío ultraalto y confinamiento pulsado de hasta 50.000  gauss y tiempos de confinamiento proyectados de hasta 0,01 segundos.

La última serie B fue la B-66, completada en 1958, esencialmente una combinación del trazado de pista de carreras con el mayor tamaño y energía de la B-3. ^{[ 23 ]}

Lamentablemente, estas máquinas más grandes demostraron un efecto de "expulsión". Este efecto provocó tasas de deriva del plasma superiores a las sugeridas por la teoría clásica y mucho mayores que las tasas de Bohm. La tasa de deriva de B-3 fue tres veces mayor que la de las peores predicciones de Bohm, y no logró mantener el confinamiento durante más de unas pocas decenas de microsegundos. ^{[ 24 ]}

Ya en 1954, el diseño del Modelo C comenzaba a tomar forma. Surgió como una gran pista de carreras con múltiples fuentes de calentamiento y un divertor, esencialmente un B-66 más grande. La construcción comenzó en 1958 y se completó en 1961. Podía ajustarse para permitir un eje menor del plasma entre5 y 7,5  cm y era1200  cm de longitud. Las bobinas de campo toroidales normalmente operaban a 35 000  gauss. ^{[ 24 ]}

Para cuando el Modelo C comenzó a operar, se comprendió que no produciría fusión a gran escala. El transporte de iones a través de las líneas del campo magnético era mucho mayor de lo que sugería la teoría clásica. El aumento considerable de los campos magnéticos no solucionó este problema, y ​​los tiempos de confinamiento no mejoraron. La atención se centró entonces en la comprensión teórica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb asumió la dirección del Matterhorn, sucediendo al Spitzer, y el proyecto pasó a llamarse Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL). ^{[ 19 ]}

La experimentación continua mejoró gradualmente la máquina, y los tiempos de confinamiento aumentaron hasta coincidir con las predicciones de Bohm. Con el tiempo, las nuevas versiones de los sistemas de calentamiento incrementaron las temperaturas. Cabe destacar la incorporación en 1964 de un pequeño acelerador de partículas para acelerar los iones de combustible a una energía suficiente para atravesar los campos magnéticos, depositando energía dentro del reactor al colisionar con los iones que ya se encontraban en su interior. ^{[ 19 ]} Este método de inyección de haces neutros es prácticamente universal en las máquinas de fusión por confinamiento magnético . ^{[ 25 ]}

El modelo C dedicó la mayor parte de su historia a estudios de transporte de iones. ^{[ 19 ]} Mediante el ajuste continuo del sistema magnético y la adición de nuevos métodos de calentamiento, en 1969, el modelo C finalmente alcanzó temperaturas electrónicas de 400  eV, 4,6 millones de K. ^{[ 26 ]}

Los diseños de estelaradores proliferaron, adoptando una configuración magnética simplificada. El modelo C utilizaba bobinas de confinamiento y helicoidales separadas. Otros investigadores, sobre todo en Alemania, observaron que se podía lograr la misma configuración general del campo magnético con una disposición mucho más sencilla. Esto dio lugar a la configuración de torsatrón o heliotrón.

En estos diseños, el campo primario se produce mediante un único imán helicoidal, similar a uno de los devanados helicoidales del estelarador "clásico". Solo se necesita un imán, mucho más grande. Para producir el campo resultante, un segundo conjunto de bobinas que discurren poloidalmente alrededor del imán helicoidal genera un campo vertical que se mezcla con el helicoidal. El resultado es una configuración mucho más sencilla, ya que los imanes poloidales suelen ser mucho más pequeños y dejan suficiente espacio entre ellos para alcanzar el interior. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

El campo total podría generarse mediante imanes independientes con la forma del campo local. Esto da como resultado imanes complejos dispuestos como las bobinas toroidales del diseño original. La ventaja de este diseño es que los imanes son completamente independientes; si uno se daña, puede reemplazarse individualmente sin afectar al resto del sistema. Además, el campo general puede reorganizarse reemplazando los elementos y se volvió común.

En 1968, científicos de la Unión Soviética publicaron los resultados de sus experimentos con máquinas tokamak , en particular la T-3. Los resultados fueron tan inesperados que el escepticismo se extendió. Para contrarrestar esto, los soviéticos invitaron a expertos del Reino Unido a probar las máquinas. Sus pruebas utilizaron un sistema láser desarrollado para el reactor ZETA para verificar las afirmaciones soviéticas sobre temperaturas electrónicas de 1000  eV. Lo que siguió fue una auténtica avalancha de construcción de tokamaks en todo el mundo. ^{[ 28 ]}

Al principio, los laboratorios estadounidenses ignoraron la noticia; Spitzer la descartó como un error experimental. Sin embargo, a medida que surgían más resultados, especialmente los informes del Reino Unido, Princeton defendió el estelarador, mientras que otros grupos clamaban por fondos para construir tokamaks. En julio de 1969, Gottlieb cambió de opinión y se ofreció a convertir el Modelo C en un tokamak. En diciembre se cerró y se reabrió en mayo como el Tokamak Simétrico (ST).

El ST igualó de inmediato el rendimiento de las máquinas soviéticas, superando los resultados del Modelo C por más de diez veces. A partir de entonces, PPPL fue el principal desarrollador del enfoque tokamak en EE. UU., introduciendo una serie de máquinas para probar diversos diseños. El Toro Grande de Princeton de 1975 alcanzó rápidamente varios parámetros de rendimiento necesarios para una máquina comercial, y se creía que el punto de equilibrio se alcanzaría a principios de la década de 1980 con máquinas más grandes y sistemas de calefacción más potentes.

Los tokamaks son un tipo de máquina de confinamiento, que se diferencia de los diseños anteriores principalmente en la cantidad de corriente en el plasma: por encima de un cierto umbral conocido como factor de seguridad , o q , el plasma es mucho más estable. ZETA funcionaba con un q de alrededor de 1/3 , mientras que los experimentos con tokamaks demostraron que debe ser de al menos 1. Las máquinas que seguían esta regla mostraron un rendimiento notablemente mejorado. Sin embargo, a mediados de la década de 1980, la energía de fusión seguía estando fuera del alcance; a medida que la cantidad de corriente en las nuevas máquinas comenzó a aumentar, aparecieron nuevas inestabilidades en el plasma. Estas podían abordarse, pero solo aumentando enormemente la potencia de los campos magnéticos, lo que requería imanes superconductores y enormes volúmenes de confinamiento. El costo de una máquina de este tipo era tal que las partes involucradas se unieron para iniciar el proyecto ITER .

A medida que el enfoque del tokamak flaqueaba, resurgió el interés por los estelaradores. ^{[ 2 ]} Esto coincidió con el desarrollo de herramientas avanzadas de planificación asistida por computadora que permitieron la construcción de imanes complejos que ya se conocían, pero que se consideraban demasiado difíciles de diseñar y construir. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Los nuevos materiales y métodos de construcción aumentaron la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando así el rendimiento. Entre los nuevos dispositivos construidos para probar estos conceptos se encuentran el Wendelstein 7-X (W7-X) en Alemania, el Experimento Helicoidal Simétrico (HSX) en Estados Unidos y el Dispositivo Helicoidal Grande ( LHD) en Japón. El W7X y el LHD utilizan bobinas magnéticas superconductoras .

La ausencia de corriente interna elimina algunas de las inestabilidades del tokamak, lo que permite que el estelarador sea más estable en condiciones de funcionamiento similares. Al carecer del confinamiento que proporciona la corriente presente en un tokamak, el estelarador requiere imanes más potentes para alcanzar un determinado nivel de confinamiento. El estelarador es una máquina intrínsecamente estable, lo que ofrece varias ventajas de ingeniería.

En 2023, PPPL construyó un dispositivo experimental utilizando principalmente componentes comerciales a un costo de $640,000. Su núcleo es una cámara de vacío de vidrio rodeada por una carcasa de nailon impresa en 3D que sostiene 9,920 imanes permanentes . Dieciséis electroimanes envuelven la carcasa. ^{[ 31 ]}

Calentar un gas aumenta la energía de las partículas que contiene, por lo que al calentar un gas a cientos de millones de grados, la mayoría de las partículas alcanzan la energía necesaria para fusionarse.

Según la distribución de Maxwell-Boltzmann , algunos alcanzarán las energías requeridas a temperaturas promedio mucho más bajas. Debido a que la energía liberada por la reacción de fusión es mucho mayor que la necesaria para iniciarla, incluso un pequeño número de reacciones puede calentar el combustible circundante hasta que se fusione. En 1944, Fermi calculó que la reacción D-T sería autosostenible a aproximadamente50 000 000  K . ^{[ 52 ]}

Los materiales calentados por encima de unas pocas decenas de miles de grados se ionizan, produciendo plasma . Según la ley de los gases ideales , como cualquier gas caliente, el plasma tiene una presión interna y, por lo tanto, tiende a expandirse. ^{[ 53 ]} Para un reactor de fusión, el desafío es mantener el plasma contenido. En un campo magnético, los electrones y los núcleos orbitan alrededor de las líneas del campo magnético, confinándolos al área definida por el campo. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

Se puede crear un sistema de confinamiento sencillo colocando un tubo dentro del núcleo abierto de un solenoide . El tubo se puede evacuar, llenar con gas y calentar hasta que se convierta en plasma. El plasma tiende a expandirse hacia las paredes del tubo y a moverse a lo largo de él, hacia los extremos. El solenoide crea líneas de campo magnético que recorren el centro del tubo, y las partículas de plasma orbitan alrededor de estas líneas, impidiendo su movimiento hacia los lados. Sin embargo, esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo, y este puede salir por los extremos. ^{[ 56 ]}

Una solución es doblar el tubo en forma de toroide (un anillo o rosquilla). ^{[ 56 ]} El movimiento hacia los lados permanece restringido como antes, y aunque las partículas siguen siendo libres de moverse a lo largo de las líneas, en este caso, circulan alrededor del tubo. Pero, como señaló Fermi, ^{[ f ]} cuando el solenoide se dobla en forma de anillo, los devanados eléctricos estarían más juntos en el interior que en el exterior. Esto produce un campo desigual a través del tubo, y el combustible se desplaza fuera del centro. Dado que los electrones y los iones se desplazan en direcciones opuestas, esto produce una separación de carga y fuerzas electrostáticas que finalmente superan la fuerza magnética. Se necesita alguna fuerza adicional para contrarrestar este desplazamiento, proporcionando un confinamiento a largo plazo. ^{[ 7 ] [ 56 ]}

El concepto clave de Spitzer es que la deriva podría cancelarse mediante la disposición física del tubo de vacío. En un toroide, las partículas en el borde interior del tubo, donde el campo era más intenso, se desplazarían hacia arriba, mientras que las del exterior se desplazarían hacia abajo (o viceversa). Sin embargo, si se hiciera que la partícula alternara entre el interior y el exterior del tubo, las derivas alternarían entre arriba y abajo y se cancelarían. La cancelación no es perfecta, dejando una deriva neta, pero los cálculos sugirieron que la deriva sería lo suficientemente baja como para confinar el plasma el tiempo suficiente para calentarlo. ^{[ 58 ]}

En lugar de un toroide normal, el dispositivo de Spitzer se cortaría esencialmente por la mitad para producir dos semitoros. Estos se unirían mediante dos secciones rectas entre los extremos abiertos. La clave residía en que se conectaran a extremos alternos, de modo que la mitad derecha de uno se conectara a la izquierda del otro. El diseño resultante se asemejaba a un ocho visto desde arriba. Dado que los tubos rectos no podían atravesarse entre sí, el diseño no era plano; los toros en ambos extremos debían estar inclinados. Esto significaba que la cancelación de la deriva se reducía aún más. ^{[ 59 ]}

Para comprender cómo funciona el sistema para contrarrestar la deriva, consideremos la trayectoria de una sola partícula en el sistema que comienza en una de las secciones rectas. Si esa partícula está perfectamente centrada en el tubo, viajará por el centro hacia uno de los semitoros, saldrá hacia el centro del siguiente tubo, y así sucesivamente. Esta partícula recorrerá todo el toro sin abandonar el centro. Ahora consideremos otra partícula que viaja paralela a la primera, pero ubicada inicialmente cerca de la pared interior del tubo. En este caso, entra por el borde exterior del semitoro y comienza a derivar hacia abajo. Sale de esa sección y entra en la segunda sección recta, todavía en el borde exterior de ese tubo. Sin embargo, debido a que los tubos se cruzan, cuando llega al segundo semitoro entra en él por el borde interior y deriva hacia arriba. ^{[ 60 ]}

La deriva también tiene otras causas. Aunque los iones y electrones del plasma orbitan alrededor de las líneas magnéticas, se mueven en direcciones opuestas a altas velocidades de rotación. Esto conlleva la posibilidad de colisiones entre partículas que orbitan en diferentes líneas de fuerza al viajar a través del reactor, lo que, por razones puramente geométricas, provoca que el combustible se desplace lentamente hacia afuera. Este proceso acaba provocando que el combustible colisione con la estructura o que se produzca una gran separación de carga entre los iones y los electrones. Spitzer introdujo el concepto de divertor, un imán colocado alrededor del tubo que separaba la capa más externa del plasma. Esto eliminaría los iones antes de que se desplazaran demasiado y chocaran contra las paredes. También eliminaría cualquier elemento más pesado. ^{[ 61 ]}

Utilizando cálculos clásicos, la tasa de difusión a través de colisiones era lo suficientemente baja como para ser mucho menor que la deriva debida a campos desiguales en un toroide normal. Pero los estudios de plasmas confinados magnéticamente en 1949 demostraron pérdidas mucho mayores y se conocieron como difusión de Bohm . Tras considerar este problema, Spitzer concluyó que la tasa anómala observada por Bohm se debía a la inestabilidad en el plasma, la cual, según él, podía resolverse. ^{[ 62 ]}

Una de las principales preocupaciones es que los campos magnéticos solo confinan adecuadamente las partículas de una masa determinada que viajan a una velocidad dada. Las partículas que viajan más rápido o más lento no circularán de la forma deseada. Las partículas con bajas velocidades (baja temperatura) no se confinan y pueden desplazarse libremente. Las partículas calientes pueden chocar contra las paredes exteriores de las secciones curvas. Para abordar estas preocupaciones, Spitzer introdujo el concepto de un divertor conectado a una de las secciones rectas. Este era esencialmente un espectrómetro de masas que eliminaría las partículas que se movían demasiado rápido o demasiado lento. ^{[ 61 ]}

El requisito de que las dos secciones rectas no se crucen implica que la transformación rotacional suele ser de unos 135 grados. Esto dio lugar a diseños alternativos que intentaban aproximar el ángulo a 180 grados. Un primer intento fue el B-2, que colocaba las secciones curvas planas con respecto al suelo, pero a diferentes alturas. A las secciones rectas se les añadieron curvas, dos secciones de unos 45 grados, formando así figuras en forma de S extendidas. Esto les permitía sortearse entre sí manteniendo la simetría angular.

Los reactores B-64 y B-65 eliminaron el cruce y transformaron el dispositivo en una pista ovalada. La rotación de partículas se introdujo mediante la colocación de un nuevo conjunto de bobinas magnéticas en los extremos del semitoro, denominadas bobinas helicoidales. El campo de estas bobinas se mezcla con los campos de confinamiento para producir un campo mixto que rota las líneas de fuerza 180 grados. Esto simplificó considerablemente el diseño mecánico del reactor, pero en la práctica, resultó difícil generar campos mixtos perfectamente simétricos.

Los diseños de Stellarator suelen utilizar imanes más complejos para producir un campo magnético con una forma específica, similar a una cinta retorcida. Las diferencias de diseño se refieren principalmente a la disposición de los imanes, que determina el campo resultante.

A diferencia del z-pinch o el tokamak, el estelarador no tiene corriente eléctrica inducida en el plasma; a nivel macroscópico, el plasma es neutro e inmóvil, aunque las partículas individuales que lo componen circulan. En las máquinas de pinch, la corriente es uno de los principales métodos de calentamiento. Los estelaradores no tienen dicha fuente de calor.

Los primeros diseños de estelaradores utilizaban un calentamiento inicial basado en corriente. Este consistía en un único conjunto de bobinas de un transformador , con el plasma formando un conjunto secundario. Al ser energizadas con un pulso de corriente, las partículas en la región se calientan y comienzan a moverse. Esto, a su vez, introduce gas adicional en la región para ser calentado. Este concepto se denominó calentamiento óhmico porque se basaba en la resistencia del gas para generar calor. A medida que aumenta la temperatura del gas, mejora la conductividad del plasma. Esto hace que el calentamiento óhmico sea menos efectivo, limitando las temperaturas a aproximadamente 1 millón de kelvin. ^{[ 63 ]}

Para alcanzar temperaturas más elevadas, Spitzer propuso una segunda fuente de calor: el sistema de bombeo magnético. Este consistía en una fuente de radiofrecuencia alimentada a través de una bobina distribuida a lo largo de la cámara de vacío. La frecuencia es similar a la frecuencia natural de las partículas alrededor de las líneas de fuerza magnéticas, la frecuencia ciclotrónica . Las partículas en esta área ganan energía, lo que provoca un aumento en su radio orbital. Dado que otras partículas orbitan sus propias líneas cerca, a nivel macroscópico, este cambio de energía se manifiesta como un aumento de presión. ^{[ 61 ]} Según la ley de los gases ideales , esto resulta en un aumento de la temperatura. Al igual que en el calentamiento óhmico, este proceso también se vuelve menos eficiente a medida que aumenta la temperatura. El calentamiento por resonancia ciclotrónica de iones establece la frecuencia cerca de la de la circulación iónica. ^{[ 64 ]}

A principios de la década de 1970, Tihiro Ohkawa, de General Atomics, demostró que los toroides con relaciones de aspecto más pequeñas y plasmas no circulares mejoran el rendimiento. ^{[ 65 ]} La relación de aspecto compara el radio total del dispositivo con el radio de la sección transversal del tubo de vacío. Un reactor ideal minimiza esta relación reduciendo el orificio central. Los tokamaks esféricos modernos , como el MAST del Reino Unido con una relación de 1,3, logran formas casi esféricas alargando el tubo verticalmente alrededor de un único poste metálico. ^{[ 66 ]} Los estelaradores requieren imanes complejos para dar forma al campo magnético, inicialmente utilizando conjuntos apilados. Los sistemas modernos combinan estos, pero aún necesitan un espacio significativo, lo que resulta en radios internos más grandes y relaciones de aspecto más altas que los tokamaks. Por ejemplo, el W7-X tiene una relación de 10. ^{[ 67 ]} Los nuevos diseños buscan reducir esta relación, pero a partir de 2023, seguían sin probarse y eran mucho más altos que los niveles de los tokamaks. ^{[ 68 ]} En 2025, las simulaciones sugirieron que un nuevo diseño de baja relación de aspecto podría reducir la relación a 6, reduciendo el tamaño en un 30%. ^{[ 69 ]}

Los estelaradores de producción deben proteger los imanes de los neutrones de 14,1 MeV mediante una manta de reproducción de 1 a 1,5 m de espesor que contiene litio . ^{[ 70 ]} Esto aumenta la distancia del imán al plasma, lo que requiere campos más fuertes que en los diseños donde los imanes recubren la cámara de vacío. Para compensar, los estelaradores se escalan a grandes tamaños, con separaciones que aumentan de 10 cm a 1 m. ^{[ 70 ]} Diseños como ARIES-CS, con un radio de 8 m y una relación de aspecto de 4,6, siguen siendo sobredimensionados. ^{[ 71 ]} Los complejos imanes exigen un posicionamiento preciso, con tolerancias tan ajustadas como 1,5 mm.

El Experimento Nacional de Estelarizadores Compactos (NCSX), un diseño de baja relación de aspecto con una relación de 4,4, fue cancelado en 2008 debido a tolerancias inalcanzables, ya que la deformación de los componentes superó los límites. ^{[ 72 ]} En 2025, los soportes de imanes impresos en 3D redujeron los errores de alineación en un 20 % en las pruebas de prototipos. ^{[ 73 ]}

Los stellarators pierden aproximadamente el 5% de las partículas alfa , lo que ejerce presión sobre los componentes que están en contacto con el plasma. ^{[ 74 ]}