Migma

Migma , a veces llamado migmatrón o migmacélula , fue un reactor de fusión por colisión de haces propuesto y diseñado por Bogdan Maglich en 1969. ^{[ 1 ]} Migma utiliza haces de iones que se autointersectan provenientes de pequeños aceleradores de partículas para forzar la fusión de los iones. Sistemas similares que utilizan conjuntos de partículas más grandes, incluso del tamaño de polvo microscópico, se denominaban " macrones ". Migma fue objeto de cierta investigación en las décadas de 1970 y principios de 1980, pero la falta de financiación impidió su desarrollo posterior.

La fusión se produce cuando los átomos se aproximan y la fuerza nuclear fuerte atrae sus núcleos. Este proceso se contrarresta debido a que los núcleos tienen carga positiva y, por lo tanto, se repelen entre sí debido a la fuerza electrostática . Para que se produzca la fusión, los núcleos deben tener suficiente energía para superar esta barrera de Coulomb . La barrera disminuye para los átomos con menor carga positiva, aquellos con menos protones , y la fuerza fuerte aumenta con los nucleones adicionales, es decir, con el número total de protones y neutrones . Esto significa que una combinación de deuterio y tritio tiene la barrera de Coulomb más baja, alrededor de 100  keV (véanse los requisitos para la fusión ).

Cuando el combustible se calienta a altas energías, los electrones se disocian de los núcleos, que quedan como iones en un plasma gaseoso . Cualquier partícula en un gas se distribuye en un amplio rango de energías en un espectro conocido como distribución de Maxwell-Boltzmann . A cualquier temperatura dada, la mayoría de las partículas tienen energías bajas, con una "cola larga" que contiene un número menor de partículas a energías mucho más altas. Así, aunque 100 keV representan una temperatura de más de mil millones de grados, para producir eventos de fusión el combustible no tiene que calentarse a esta temperatura en su totalidad. Incluso a una temperatura mucho más baja, la tasa de fusión entre los miembros de la cola larga puede ser lo suficientemente alta como para proporcionar una salida de energía útil siempre que esté confinado durante un cierto período de tiempo para que tengan la oportunidad de encontrarse. El aumento de la densidad también aumenta la tasa, ya que la energía de las reacciones calentará el combustible circundante y potencialmente inducirá la fusión en él también. La combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento se conoce como criterio de Lawson .

Se han desarrollado dos enfoques principales para abordar el problema de la energía de fusión . En el método de confinamiento inercial, el combustible se comprime rápidamente hasta alcanzar densidades extremadamente altas, aumentando su temperatura interna. No se intenta mantener estas condiciones durante ningún período de tiempo; el combustible explota hacia afuera tan pronto como se libera la fuerza. El tiempo de confinamiento es del orden de nanosegundos, por lo que las temperaturas y la densidad deben ser muy elevadas para que una cantidad apreciable de combustible experimente fusión. Este método ha tenido éxito en la producción de reacciones de fusión, pero hasta la fecha, los dispositivos que proporcionan la compresión, generalmente láseres , requieren más energía de la que producen las reacciones.

En el método de confinamiento magnético , más estudiado , el plasma, que está cargado eléctricamente, se confina mediante campos magnéticos. El combustible se calienta lentamente hasta que parte del combustible en la cola de la distribución de temperatura comienza a fusionarse. A las temperaturas y densidades que se pueden alcanzar con imanes, el proceso de fusión es bastante lento, por lo que este método requiere largos tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos, o incluso minutos. Confinar un gas a millones de grados durante este tipo de escala temporal ha resultado difícil, aunque las máquinas experimentales modernas se están acercando a las condiciones necesarias para la producción neta de energía.

El método de colisión de haces evitó el problema de calentar la masa de combustible a estas temperaturas acelerando los iones directamente en un acelerador de partículas .

La forma más sencilla de crear un sistema de este tipo es utilizar dos aceleradores y apuntarlos uno hacia el otro. Sin embargo, la probabilidad de que dos iones colisionen es infinitesimal; la mayoría de los iones pasarían de largo y la energía suministrada se perdería. Para que un sistema así sea práctico en términos energéticos, las partículas deben recircularse para que tengan muchas oportunidades de colisionar. Una forma de lograrlo es usar un anillo de almacenamiento , pero los iones que se acercan a una reacción se dispersan en ángulos elevados que los hacen salir del anillo. Cálculos matemáticos sencillos demostraron que este enfoque no funcionaría; la tasa de pérdida por estos acercamientos sería siempre mucho mayor que la energía obtenida de las reacciones de fusión. ^{[ 2 ]}

El concepto de Maglich modificó la disposición basándose en un nuevo concepto de almacenamiento de partículas que él mismo había coinventado, conocido como "precetrón". En un concepto típico de anillo de almacenamiento, las partículas se disparan hacia el anillo "extremo a extremo" con una energía específica, de modo que siguen la trayectoria del anillo. En cambio, en el precetrón, el área de almacenamiento es un espejo magnético . En la mayoría de las disposiciones de espejos magnéticos, la energía promedio de las partículas es relativamente baja y los iones y electrones tienen órbitas relativamente pequeñas alrededor de las líneas de fuerza magnéticas, con un radio mucho menor que el diámetro del espejo en su conjunto. En el precetrón, los iones tienen energías mucho mayores y, por lo tanto, órbitas mucho mayores, ocupando una porción significativa del diámetro del espejo, aproximadamente de 1/3 a 1/2 . En esta disposición , los iones tenderán a moverse hacia el centro del volumen del espejo, en lugar de reflejarse de un extremo a otro como en la configuración clásica de espejo . ^{[ 3 ]}

Además, debido a la disposición de los campos, siendo el campo más intenso en el exterior del volumen, las órbitas de los iones precesarán alrededor del área interior. Esto provoca que la trayectoria circular cambie su centro de rotación. Por ejemplo, si la partícula se dispara inicialmente hacia el área de almacenamiento de modo que orbite alrededor de la mitad inferior del área del espejo, se moverá lentamente de manera que la órbita se sitúe primero en un lado, luego en la parte superior, después en el otro lado y finalmente de nuevo en la parte inferior. Si se traza la trayectoria de un solo ion a lo largo del tiempo, se forma un patrón similar al de un espirógrafo , creando una serie de círculos que llenan el volumen. ^{[ 4 ]}

La clave para utilizar este concepto en el sistema migma consistía en disparar los iones a la cámara con la energía adecuada para que sus trayectorias pasaran por el centro geométrico del espejo. Tras un breve lapso, esta órbita se alejaba precesando del punto de entrada inicial. Al dispararse otro ion, este ocupaba la órbita original. Con el tiempo, la cámara se llenaba de iones orbitando dentro de lo que era, en efecto, un número infinito de anillos de almacenamiento que se intersecaban en el centro. Y debido a que se encontraban en el centro, los iones en lados opuestos de la cámara se movían en direcciones opuestas al encontrarse, por lo que un solo acelerador producía un efecto similar al de dos aceleradores en la configuración convencional. ^{[ 4 ]}

Una gran ventaja de este enfoque es que la dispersión frontal de los iones en reacciones "fallidas" simplemente los movería a una órbita diferente, pero su movimiento natural en el campo del espejo los traería rápidamente de vuelta al centro. Solo aquellos iones que se dispersaron a un gran ángulo fuera del eje escaparían. Como resultado, se esperaba que cualquier ion dado tomaría aproximadamente 10⁸ ^órbitas a través del área de reacción antes de dispersarse fuera del sistema. ^{[ 5 ]} El término "migma", de la palabra griega para "mezcla", fue elegido para distinguir esta masa de iones en órbita del plasma en máquinas convencionales. ^{[ 2 ]}

Se construyó una serie de cuatro reactores Migma; el Migma original (retroactivamente, Migma I) en 1973, Migma II en 1975, Migma III en 1976, y finalmente culminando con el Migma IV en 1982. ^{[ 6 ]} Estos dispositivos eran relativamente pequeños, de solo unos pocos metros de longitud a lo largo de la línea de haz del acelerador con una cámara de destino en forma de disco de aproximadamente 2 metros (6 pies 7 pulgadas) de diámetro y 1 metro (3 pies 3 pulgadas) de espesor. Los dispositivos de prueba Migma utilizaban aceleradores de aproximadamente 1 MeV, ^{[ 7 ]} a 2 MeV. ^{[ 2 ]}      

Los diseños de Migma apuntaban a utilizar combustibles aneutrónicos , sobre todo la reacción D-He3, que requiere temperaturas mucho más altas para alcanzar la ignición que la reacción DT típica. Migma II logró alcanzar la temperatura requerida, unos 15  mil millones  de grados, en 1975. ^{[ 6 ]} Migma IV estableció un récord de tiempo de confinamiento de 25  segundos en 1982, ^{[ 6 ]} así como el récord de producto triple de fusión (densidad × energía-tiempo de confinamiento × energía media) de 4 × 10 ¹⁴  keV  sec  cm ⁻³ , un récord que no fue alcanzado por un tokamak convencional hasta que JET logró 3 × 10 ¹⁴  keV  sec  cm ⁻³ en 1987. ^{[ 6 ]}

Para que un Migma fuera lo suficientemente grande como para producir energía neta, el triple producto alcanzado por Migma IV tendría que incrementarse entre 100 y 1000 veces. ^{[ 6 ]} Maglich intentó obtener financiación para un diseño posterior durante algún tiempo, sin éxito. Según un artículo de The Scientist , Maglich había estado involucrado en un acalorado debate con las diversas agencias de financiación desde la década de 1980. ^{[ 8 ]}

Cuando se consideró por primera vez el diseño de Migma, se modeló utilizando técnicas de aceleradores de partículas. No se analizó en profundidad el factor beta del diseño, es decir, la relación entre el campo magnético y la presión del plasma. En los diseños convencionales, como el espejo tradicional, el factor beta es un parámetro clave de rendimiento que indica la potencia necesaria de los imanes para una cantidad determinada de combustible dentro del reactor. El coste de los imanes es proporcional a la potencia, lo que proporciona una estimación aproximada de la rentabilidad del reactor. En Migma, no existe plasma en el sentido convencional, por lo que no estaba claro que esta consideración fuera aplicable; siempre que se ajustara el campo a la energía de los iones para que permanecieran confinados, se cumplían los requisitos técnicos. ^{[ 9 ]}

Pero la alimentación continua de iones conlleva un problema evidente: la cámara de reacción se cargaría cada vez más positivamente. Esto generaría una presión hacia afuera similar a la de un plasma convencional, según la ley de los gases ideales . Finalmente, esta presión superaría el campo magnético, independientemente de la energía de las partículas. Para mantenerse por debajo ^de este límite, la densidad de partículas debía ser muy baja, aproximadamente 1/1000 de la de un espejo típico. ^[ 10 ^]

Este efecto podría contrarrestarse inyectando electrones además de iones, de modo que el volumen macroscópico se neutralice. Sin embargo, esto conlleva dos nuevos efectos que provocan la pérdida de energía del reactor. Uno de ellos es que los electrones impactarán aleatoriamente contra los iones, neutralizándolos, lo que significa que ya no estarán sujetos al campo magnético y podrán abandonar la cámara de reacción. Incluso si no se produjera dicha neutralización, los impactos entre electrones e iones harían que los electrones liberaran energía mediante radiación de frenado y radiación sincrotrón . ^{[ 9 ]}

A cierta densidad electrónica crítica, estas pérdidas serán mayores que la cantidad de energía suministrada al sistema por los aceleradores. Para solucionar esto, los diseños previstos operan con recuentos de electrones muy bajos, del orden de un electrón por cada 100 iones. ^{[ 9 ]} Esto conlleva una limitación significativa en los posibles parámetros operativos del diseño; si los recuentos de electrones son bajos, la densidad del combustible debe ser baja para evitar que la carga positiva sature los imanes, pero si la densidad electrónica aumenta para permitir una mayor densidad de combustible, las pérdidas comienzan a incrementarse debido a los efectos de los electrones. ^{[ 9 ]}

Para mejorar esta cifra, se sugirió que un segundo acelerador también inyectara electrones en la cámara; si los electrones se encontraran con iones, se neutralizarían y, por lo tanto, dejarían de estar sujetos a los campos magnéticos y abandonarían la cámara. La clave para que esto funcionara sería enviar los electrones al centro, donde se acumulaban los iones más lentos que ya no eran útiles. ^{[ 10 ]} Los electrones libres también serían capturados por dispositivos en la cámara del reactor. ^{[ 9 ]}

A finales de la década de 1990, un análisis general de estos problemas sugirió que el Migma no era el único con este problema; al considerar la radiación de frenado en combustibles no termalizados, parece que ningún sistema que funcione con combustibles aneutrónicos puede alcanzar la ignición, y que cualquier sistema que utilice combustibles no termalizados (incluido el Migma) parece ser capaz de compensar sus pérdidas. El único enfoque que parece tener una posibilidad teórica de funcionar es la reacción DT o quizás DD en una masa de plasma termalizada. ^{[ 11 ]}

En respuesta a esto, el problema de la neutralización de la carga espacial por electrones se abordó en ^{[ 12 ]} el trabajo principal de Maglich, en el artículo MIGMA NEUTRALIZADA PROMEDIO EN EL TIEMPO: UN ESTADO FÍSICO HÍBRIDO DE HAZ/PLASMA COLISIONADO COMO FUENTE DE ENERGÍA ANEUTRÓNICA - UNA REVISIÓN. En este artículo, Maglich detalla su descubrimiento de la oscilación transversal de electrones y su control mediante placas polarizadas. Si bien esto proporcionó neutralización hasta su densidad máxima alcanzada, la densidad se vio limitada por la corriente inyectada y la eficiencia de atrapamiento, ambas bajas. Esta técnica, discutida en la "Sección 10. Cómo se superó el límite de carga espacial", del artículo mencionado anteriormente, abarca la teoría y la experimentación de un método novedoso para la neutralización de la carga espacial. Quizás no se deban descartar de plano las posibilidades que ofrece para el progreso futuro en este campo.

Otros estudios más recientes han sido publicados por Arvind Jain ^{[ 13 ]} y otro por el mismo autor. ^{[ 14 ]} Además, hay una empresa recientemente incorporada llamada 21st Century Fusion, Inc. que tiene las patentes US7,825,601 y US7,405,410 ^{[ 15 ]} para un nuevo tipo de acelerador que incorpora órbitas que cruzan el eje Migma.

• Patente 4788024: Aparato y método para obtener un haz de partículas cargadas que colisionan entre sí y que opera por encima del límite de carga espacial.