Linus (experimento de fusión)

El programa Linus ^{[ a ]} fue un proyecto experimental de energía de fusión desarrollado por el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) a partir de 1971. ^{[ 2 ]} El objetivo del proyecto era producir una reacción de fusión controlada comprimiendo plasma dentro de un revestimiento metálico. El concepto básico se conoce hoy como fusión de blanco magnetizado .

El diseño del reactor se basaba en la compresión mecánica de un revestimiento de metal fundido. Una cámara se llenaría con metal fundido y se haría girar sobre un eje, creando una cavidad cilíndrica en el centro. Un combustible de fusión adecuado, calentado a varios miles de grados para convertirlo en plasma, se inyectaría en el centro de la cavidad. El metal colapsaría rápidamente y, debido a la conservación del flujo magnético dentro del metal, el plasma quedaría confinado dentro de la capa resultante y colapsaría a su vez. El proceso adiabático elevaría la temperatura y la densidad del plasma atrapado hasta alcanzar las condiciones de fusión .

El uso de un revestimiento de metal líquido presenta muchas ventajas sobre los experimentos soviéticos anteriores que implosionaban revestimientos cilíndricos de metal sólido para lograr la fusión de alta densidad energética. El revestimiento de metal líquido proporcionaba los beneficios de recuperar la energía térmica de la reacción, absorber neutrones, transferir energía cinética y reemplazar la pared que daba al plasma durante cada ciclo. ^{[ 3 ]} Entre los beneficios adicionales de un revestimiento líquido se incluyen una gran simplificación del mantenimiento del reactor, la reducción de la radiactividad, la protección de las secciones permanentes del reactor contra el daño por neutrones, ^{[ 4 ]} y la reducción del peligro de los escombros proyectados.

El concepto se retomó en la década de 2000 como base para el diseño del General Fusion , que actualmente se está construyendo en Canadá.

En el concepto Linus, la cámara del reactor consiste en un tambor lleno de un revestimiento de metal líquido, generalmente plomo- litio fundido . El tambor gira, creando una fuerza centrífuga que fuerza el líquido hacia la pared interior del contenedor. Solo hay suficiente metal líquido para llenar aproximadamente el 20 % del volumen total, por lo que se forma una gran área abierta en el centro durante la rotación. ^{[ 5 ]} Para su funcionamiento, se utiliza un sistema, generalmente compuesto por pistones, para inyectar metal líquido adicional en el tambor. Esto hace que todo el revestimiento se fuerce hacia adentro. En sistemas experimentales, esto proporcionó una compresión de aproximadamente diez a uno. El metal sobrante se elimina liberando los pistones, lo que provoca que la compresión se invierta y el metal alcance su posición original en el exterior del tambor. ^{[ 5 ]}

Para crear fusión, se inyecta un plasma de combustible de fusión en la cavidad antes de la carrera del pistón. Debido a las interacciones magnéticas en el metal, el plasma en la cavidad también es forzado hacia adentro. Esta compresión hace que la temperatura del plasma aumente a través del proceso adiabático , elevándola a temperaturas y presiones relevantes para la fusión, alrededor de 100 millones de K y10¹⁷ iones por cm³ ^.  [ ^{6 ] A} estas temperaturas y presiones, la tasa de fusión, según el triple producto de fusión ^, es muy rápida y se completa antes de que se invierta la compresión mecánica. La energía liberada por estas reacciones, en el caso del combustible típico de deuterio - tritio (DT), se presenta principalmente en forma de neutrones de alta energía de aproximadamente 14,1 MeV. Estos son capturados en el metal líquido, elevando su temperatura. Algunos de los neutrones interactuarán con el litio del revestimiento, experimentando una reacción nuclear que produce nuevo tritio. En un reactor en funcionamiento, la energía se extraería mediante un generador de vapor, como en las centrales eléctricas convencionales de energía térmica, mientras que el tritio se extraería mediante diversos procesos químicos. ^{[ 5 ]}

Una ventaja clave del concepto Linus es que el ciclo de compresión es reversible, a diferencia de otros conceptos que utilizan finas capas metálicas sólidas que solo pueden usarse una vez. Esto permite que el sistema funcione continuamente, limitado generalmente por la capacidad de eliminar los resultados de la última reacción y generar e inyectar nuevo plasma de combustible, en una escala de tiempo de unos pocos segundos. ^{[ 6 ]} Además, los sistemas que utilizan capas no giratorias están sujetos a la inestabilidad de Rayleigh-Taylor y han demostrado ser extremadamente difíciles de estabilizar. La rotación del líquido en Linus suprime estas inestabilidades. Finalmente, el metal protege al resto del reactor del flujo de neutrones, que es un problema importante en otros diseños. ^{[ 6 ]}

El proyecto Linus remonta su historia, en última instancia, a una conversación entre Ramy Shanny del Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos (NRL) y Evgeny Velikhov del Instituto Kurchatov . ^{[ 7 ]}

La idea básica de campos magnéticos superaltos como vía para la fusión fue considerada ya en la década de 1950 por Andrei Sakharov , quien propuso la implosión de revestimientos metálicos para producir el campo necesario. El concepto no se retomó hasta la década de 1960, cuando Velikhov comenzó experimentos a pequeña escala. Se comprendió que el costo de los revestimientos metálicos probablemente sería mayor que el valor de la electricidad que producirían, el "problema del kopek" ^{[ b ]} , y consideraron la idea de utilizar un revestimiento de metal líquido en su lugar. ^{[ 7 ]}

Shanny preguntó cómo se estabilizaría un sistema así frente a los problemas de Rayleigh-Taylor. Velikhov malinterpretó la pregunta, pensando que preguntaba cómo se estabilizaría frente a la gravedad dentro del tambor. Respondió que lo harían girar. Shanny, creyendo que Velikhov decía que girar resolvería los problemas de Rayleigh-Taylor, realizó los cálculos y descubrió que, efectivamente, estabilizaba estas inestabilidades. Así nació el programa Linus. ^{[ 1 ]}

Las propuestas iniciales para los diseños de Linus se basaban en el colapso cilíndrico del revestimiento con un plasma continuo en su interior. Esta disposición implicaba que no había nada que contuviera el plasma para que no saliera disparado por los extremos del cilindro metálico en implosión. Esto no era necesariamente un problema; tanto el revestimiento como el plasma se moverían a la velocidad del sonido , pero como la velocidad del sonido en el metal es mucho mayor que en el plasma, la mayor parte del plasma no tendría tiempo de moverse antes de que la reacción se hubiera completado. Existía cierta preocupación por la curvatura pronunciada en los extremos del cilindro, que puede provocar la inestabilidad de intercambio , la cual opera a una velocidad mucho mayor que la del sonido. No se exploró la magnitud de este efecto, si es que existía.

La desventaja de este enfoque fue que algo de plasma escapó, y esa cantidad aumentó a medida que disminuía la velocidad de la implosión. Para obtener una tasa de reacción razonable, se requieren energías impulsoras del orden deSe requerían entre 75 y 100  MJ . Si bien esto no era imposible de lograr, aún representaba un costo de capital significativo para construir un sistema de almacenamiento de este tipo, y la implosión resultante, de alta energía y alta velocidad, representaba un desafío de ingeniería.

El proyecto Linus se desarrollaba al mismo tiempo que surgía otro concepto de fusión: la configuración de campo invertido (FRC). Esta consiste esencialmente en un anillo de plasma que permanece estable de forma natural hasta que se enfría. El uso de una FRC dentro de la máquina proporcionaría un confinamiento natural en los extremos del cilindro, impidiendo que el plasma escapara. Esto reduciría significativamente la energía de implosión necesaria y, por consiguiente, el tamaño y el coste de la máquina en su conjunto.

En aquel momento, los FRC eran una tecnología muy novedosa. Pero como parecían representar un avance significativo en el estado del arte, con el potencial de lograr un sistema de fusión exitoso incluso sin la implosión, el interés del NRL se centró rápidamente en la física subyacente de los FRC. Los experimentos en Linus-0 y Helius fueron relativamente breves, debido en parte a los retrasos ocasionados en las fases de diseño, fabricación y ensamblaje. No se asignó tiempo para recuperarse de los retrasos o los problemas inesperados, y las máquinas finalmente se desmontaron y se almacenaron. ^{[ 12 ]}

El proyecto Linus se topó con varios problemas de ingeniería que limitaron su rendimiento y, por lo tanto, su atractivo como enfoque para la energía de fusión comercial. Estos problemas incluyeron el rendimiento del método de preparación e inyección de plasma, la capacidad de lograr ciclos reversibles de compresión-expansión, problemas con la difusión del flujo magnético en el material del revestimiento y la capacidad de eliminar el material del revestimiento vaporizado de la cavidad entre ciclos (en una duración de aproximadamente1  s ) lo cual no se logró. También se presentaron deficiencias en el diseño del mecanismo interno que bombeaba el revestimiento de metal líquido. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Otro problema importante que se presentó fueron las inestabilidades hidrodinámicas en el revestimiento líquido. Si el líquido se comprimía de forma imprecisa, los límites del plasma podían sufrir inestabilidad de Rayleigh-Taylor . Esta condición podía extinguir la reacción de fusión al reducir la eficiencia de la compresión e inyectar contaminantes del material del revestimiento (plomo y litio vaporizados) en el plasma. Ambos efectos reducen la eficiencia de las reacciones de fusión. Una fuerte inestabilidad incluso podía dañar un reactor. ^{[ 4 ]} Sincronizar el tiempo del sistema de compresión no era posible con la tecnología de la época, y el diseño propuesto se canceló. ^{[ 15 ]}

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