Reactor de prueba de fusión Tokamak

A principios de la década de 1960, el campo de la energía de fusión había crecido lo suficiente como para que los investigadores comenzaran a organizar reuniones semestrales que rotaban entre los distintos centros de investigación. En 1968, la reunión, ahora anual, se celebró en Novosibirsk , donde la delegación soviética sorprendió a todos al afirmar que sus diseños de tokamak habían alcanzado niveles de rendimiento al menos un orden de magnitud superiores a los de cualquier otro dispositivo. Inicialmente, estas afirmaciones fueron recibidas con escepticismo, pero cuando un equipo británico confirmó los resultados al año siguiente, este enorme avance provocó una auténtica avalancha de construcción de tokamaks. ^{[ 5 ]}

En Estados Unidos, uno de los principales enfoques estudiados hasta ese momento era el estelarador , cuyo desarrollo se limitaba casi exclusivamente al PPPL. Su último diseño, el Modelo C, había entrado recientemente en funcionamiento y demostró un rendimiento muy inferior a los cálculos teóricos, lejos de cifras útiles. Tras la confirmación de los resultados de Novosibirsk, comenzaron de inmediato a convertir el Modelo C en un tokamak, conocido como Tokamak Simétrico (ST). Esto se completó en tan solo ocho meses, entrando en servicio en mayo de 1970. El sistema de diagnóstico computarizado del ST le permitió igualar rápidamente los resultados soviéticos, y a partir de ese momento, todo el mundo de la fusión se centró cada vez más en este diseño por encima de cualquier otro. ^{[ 6 ]}

A principios de la década de 1970, Shoichi Yoshikawa estudiaba el concepto de tokamak. Observó que, a medida que aumentaba el tamaño del eje menor del reactor (el diámetro del tubo) en comparación con su eje mayor (el diámetro de todo el sistema), este se volvía más eficiente. Una ventaja adicional era que, al aumentar el eje menor, mejoraba el tiempo de confinamiento, simplemente porque los iones de combustible tardaban más en llegar al exterior del reactor. Esto llevó a la aceptación generalizada de que los diseños con relaciones de aspecto más bajas representaban un avance clave con respecto a los modelos anteriores. ^{[ 2 ]}

Esto dio lugar al Gran Toro de Princeton (PLT), que se completó en 1975. Este sistema tuvo tanto éxito que rápidamente alcanzó los límites de su sistema de calentamiento óhmico, el cual hacía pasar corriente a través del plasma para calentarlo. Entre las muchas ideas propuestas para un mayor calentamiento, en colaboración con el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , el PPPL desarrolló la idea de la inyección de haces neutros . Esta técnica utilizaba pequeños aceleradores de partículas para inyectar átomos de combustible directamente en el plasma, calentándolo y proporcionándole combustible fresco. ^{[ 2 ]}

Tras varias modificaciones en el sistema de inyección del haz, el PLT, recientemente equipado, comenzó a batir récords y finalmente realizó varias pruebas a 60  millones  de K, más que suficiente para un reactor de fusión. Para alcanzar el criterio de Lawson para la ignición, solo se necesitaba una mayor densidad de plasma, y ​​no parecía haber razón alguna para que esto no fuera posible en una máquina más grande. Existía la creencia generalizada de que el punto de equilibrio se alcanzaría durante la década de 1970. ^{[ 6 ] [ 2 ]}

Tras el éxito del PLT y otros diseños posteriores, se consideró que el concepto básico estaba bien comprendido. El PPPL comenzó el diseño de un sucesor mucho más grande del PLT que demostraría la combustión de plasma en operación pulsada. ^{[ 2 ]}

En julio de 1974, el Departamento de Energía (DOE) celebró una importante reunión a la que asistieron todos los principales laboratorios de fusión. Entre los asistentes destacaba Marshall Rosenbluth , un teórico que solía estudiar máquinas y descubrir diversas inestabilidades que, según él, comprometerían el confinamiento. Para sorpresa de todos, en esta reunión no planteó ninguna preocupación nueva. Parecía que el camino hacia el punto de equilibrio estaba despejado. ^{[ 7 ]}

El último paso antes de alcanzar el punto de equilibrio sería construir un reactor que funcionara con una mezcla de deuterio y tritio , a diferencia de las máquinas anteriores que funcionaban solo con deuterio. Esto se debía a que el tritio era radiactivo y se absorbía fácilmente en el cuerpo, lo que planteaba problemas de seguridad que encarecían su uso. Se creía que el rendimiento de una máquina que funcionara solo con deuterio sería prácticamente idéntico al de una que funcionara con DT, pero esta suposición debía comprobarse. Tras revisar los diseños presentados en la reunión, el equipo del DOE eligió el diseño de Princeton. ^{[ 7 ]}

Bob Hirsch , quien recientemente asumió la dirección del comité directivo del Departamento de Energía (DOE), quería construir la máquina de pruebas en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL), pero otros miembros del departamento lo convencieron de que sería más conveniente hacerlo en el Laboratorio de Física Aplicada a Princeton (PPPL). Argumentaron que un equipo de Princeton estaría más involucrado que un equipo del ORNL trabajando con el diseño de otra persona. Si posteriormente se desarrollaba un prototipo de ingeniería de un sistema comercial, este podría construirse en Oak Ridge. Le dieron al proyecto el nombre de TFTR y solicitaron financiación al Congreso, la cual fue concedida en enero de 1975. El trabajo de diseño conceptual se llevó a cabo durante todo 1975, y el diseño detallado comenzó al año siguiente. ^{[ 7 ]}

El TFTR sería el tokamak más grande del mundo; a modo de comparación, el ST original tenía un diámetro de plasma de 300 mm (12 pulgadas ) , mientras que el diseño posterior del PLT era de 910 mm (36 pulgadas ) , y el TFTR fue diseñado para tener 2200 mm (86 pulgadas) . ^{[ 2 ]} Esto lo hacía aproximadamente el doble del tamaño de otras máquinas a gran escala de la época; el Joint European Torus de 1978 y el JT-60, aproximadamente simultáneo, tenían ambos aproximadamente la mitad del diámetro. ^{[ 8 ]}   

A medida que el PLT continuó generando mejores resultados, en 1978 y 1979 se agregó financiación adicional y se modificó el diseño para alcanzar el objetivo largamente buscado del "punto de equilibrio científico", cuando la cantidad de energía producida por las reacciones de fusión en el plasma era igual a la cantidad de energía suministrada para calentarlo a temperaturas de funcionamiento. También conocido como Q = 1, este es un paso importante en el camino hacia diseños útiles para la producción de energía. ^{[ 9 ]} Para cumplir con este requisito, el sistema de calentamiento se actualizó a 50  MW y, finalmente, a 80  MW. ^{[ 10 ]}

La construcción comenzó en 1980 y TFTR inició sus operaciones iniciales en 1982. Le siguió un largo período de puesta en marcha y pruebas. A mediados de la década de 1980, comenzaron las pruebas con deuterio en serio para comprender su rendimiento. En 1986 produjo los primeros "superdisparos" que produjeron muchos neutrones de fusión. ^{[ 11 ]} Estos demostraron que el sistema podía alcanzar los objetivos del diseño inicial de 1976; el rendimiento cuando funcionaba con deuterio era tal que si se introducía tritio se esperaba que produjera alrededor de 3,5  MW de potencia de fusión. Dada la energía en los sistemas de calentamiento, esto representaba un Q _DT de aproximadamente 0,2, o alrededor de solo el 20% del requisito para el punto de equilibrio. ^{[ 9 ]} El valor más alto de Q _DT alcanzado en plasmas de deuterio-tritio fue 0,28 (descarga 80539), y el valor central, Q _núcleo definido como la relación entre la energía de fusión producida en el núcleo y la potencia de calentamiento aplicada que llega al núcleo, ^{[ 12 ]} es igual a 0,8. La potencia de calentamiento del núcleo se deduce del perfil de tasa de reacción de fusión DT medido, y la potencia de calentamiento aplicada se calcula utilizando el código de análisis de plasma TRANSP .

Durante los tres años de funcionamiento, TFTR generó 1,6 GJ de energía de fusión. La potencia máxima de fusión P _fus fue de 10,3 MW a partir de 3,7 × 10¹⁸ reacciones por segundo, y la energía máxima de fusión generada en una descarga fue de 7,6 MJ.

Sin embargo, pruebas posteriores revelaron problemas significativos. Para alcanzar el punto de equilibrio, el sistema tendría que cumplir varios objetivos al mismo tiempo: una combinación de temperatura, densidad y tiempo de confinamiento del combustible. En abril de 1986, los experimentos del TFTR demostraron los dos últimos requisitos al producir un triple producto de fusión de 1,5 x10 ¹⁴ Kelvin segundos por centímetro cúbico, lo que se acerca al objetivo para un reactor práctico y es de cinco a siete veces mayor que lo necesario para el punto de equilibrio. Sin embargo, esto ocurrió a una temperatura muy inferior a la requerida. En julio de 1986, TFTR alcanzó una temperatura de plasma de 200 millones de Kelvin (200 MK), en ese momento la más alta jamás alcanzada en un laboratorio. La temperatura es 10 veces mayor que la del centro del Sol y más que suficiente para el punto de equilibrio. Desafortunadamente, para alcanzar estas temperaturas, el triple producto se había reducido considerablemente a10 ¹³ , dos o tres veces demasiado pequeño para alcanzar el punto de equilibrio.

Se realizaron grandes esfuerzos para alcanzar estas condiciones simultáneamente. Donald Grove, director del proyecto TFTR, afirmó que esperaban lograr ese objetivo en 1987. A esto le seguirían pruebas DT que realmente producirían el punto de equilibrio, a partir de 1989. ^{[ 13 ]} Desafortunadamente, el sistema no pudo cumplir ninguno de estos objetivos. Las razones de estos problemas se estudiaron intensamente durante los años siguientes, lo que condujo a una nueva comprensión de las inestabilidades de los plasmas de alto rendimiento que no se habían observado en máquinas más pequeñas. Una consecuencia importante de los problemas del TFTR fue el desarrollo de secciones transversales de plasma altamente no uniformes, en particular los plasmas en forma de D que ahora dominan el campo.

Aunque quedó claro que el TFTR no alcanzaría el punto de equilibrio, los experimentos con tritio comenzaron en serio en diciembre de 1993, siendo el primer dispositivo de este tipo en utilizar principalmente este combustible. En 1994, produjo un récord mundial de 10,7 megavatios de potencia de fusión a partir de un plasma DT 50-50 (superado en el JET del Reino Unido, que generó 16 MW a partir de 24 MW de potencia térmica inyectada en 1997). Los dos experimentos habían puesto de relieve las partículas alfa producidas en las reacciones deuterio-tritio, que son importantes para el auto calentamiento del plasma y una parte fundamental de cualquier diseño operativo. En 1995, el TFTR alcanzó una temperatura récord mundial de 510 millones de °C, más de 25 veces superior a la del centro del Sol. Este récord fue superado al año siguiente por el Tokamak JT-60, que alcanzó una temperatura iónica de 522 millones de °C (45 keV). ^{[ 14 ]} También en 1995, los científicos de TFTR exploraron un nuevo modo fundamental de confinamiento de plasma: el cizallamiento inverso mejorado , para reducir la turbulencia del plasma. ^{[ 15 ]}

TFTR se mantuvo en uso hasta 1997. Fue desmantelado en septiembre de 2002, después de 15 años de funcionamiento. ^{[ 16 ]}

Le siguió el tokamak esférico NSTX . ^{[ 17 ]}