Experimento de física con tokamak

El Experimento de Física de Tokamak (TPX) fue un experimento de física de plasmas que fue diseñado pero no construido. Fue diseñado por un equipo interinstitucional en los EE. UU. liderado por el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton . El experimento fue diseñado para probar teorías sobre cómo se comportarían los tokamaks en un régimen de estado estacionario de alto rendimiento. ^{[ 1 ]}

El TPX estaba concebido como el sucesor del reactor de prueba de fusión Tokamak (TFTR). Si bien el TFTR fue diseñado para lograr Q>1 (mayor potencia de fusión producida por el plasma que la inyectada en él), solo operaba con pulsos cortos y no proporcionaba datos ni experiencia sobre plasmas que se comportaran como los de un reactor de fusión comercial . Específicamente, el TPX fue diseñado para cubrir esta necesidad.

TPX fue diseñado para probar teorías que sugerían formas de hacer que un futuro reactor de fusión fuera compacto, económico y fiable. Específicamente, TPX fue diseñado para operar en un estado casi estacionario, con pulsos de 1000 segundos (más de 15 minutos). Fue diseñado para operar con una alta corriente Bootstrap , lo que significa que se necesitaría menos energía para impulsar la corriente toroidal. Fue diseñado para operar con valores altos de Beta , lo que significa que podría almacenar más presión de plasma para un campo magnético dado. Fue diseñado para operar con un alto nivel de confinamiento, lo que significa que se requeriría menos calentamiento auxiliar. ^{[ 1 ]}

Tras la cancelación del Tokamak de Ignición Compacta en 1991, el Departamento de Energía de Estados Unidos ordenó al programa de fusión estadounidense que buscara formas de mejorar el tokamak . En 1993, se llevó a cabo una revisión del diseño conceptual del TPX, finalizando dicho diseño. El equipo de diseño estuvo dirigido por el Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton e incluyó miembros de otras instituciones estadounidenses. El programa se canceló en 1995, ya que el coste propuesto era demasiado elevado. El coste propuesto era de 539 millones de dólares de 1993. ^{[ 1 ]}

El tokamak KSTAR , construido en Corea del Sur, se basa en el diseño TPX. ^{[ 2 ]} KSTAR utiliza hidrógeno, no deuterio como el TPX, por lo que la activación neutrónica de los componentes no representa un problema tan grave. Debido a esto, la cámara de vacío de titanio del diseño TPX fue reemplazada por una de acero inoxidable en KSTAR, y el sistema de mantenimiento remoto fue eliminado del diseño.

Debido a que TPX fue diseñado para ser de estado estacionario (o al menos de pulso largo, con una duración de 1000 segundos), las bobinas electromagnéticas que proporcionan el campo magnético debían ser superconductoras . Debían estar hechas de cables superconductores de niobio-estaño . ^{[ 1 ]} La intensidad del campo magnético toroidal en el centro del plasma debía ser de 4,0 tesla .

El TPX fue diseñado para que su corriente eléctrica toroidal fuera impulsada al 100% de forma no inductiva. Por ello, contaba con tres sistemas de generación de corriente: un sistema inyector de haz neutro de 8 MW, un sistema de resonancia ciclotrónica de iones de 8 MW y un sistema de ondas híbridas inferiores de 1,5 MW. ^{[ 3 ]} La corriente toroidal transportada por el plasma debía alcanzar hasta 2,0 MA.

Dado que TPX fue diseñado para probar al menos seis escenarios diferentes de alto rendimiento, sus bobinas de campo poloidal y sistemas de accionamiento de corriente se diseñaron para ser flexibles. Algunos ejemplos de posibles escenarios son: uno inspirado en el diseño del reactor ARIES-I, que tenía un Beta agresivo ; otro inspirado en el régimen Supershot del reactor de prueba de fusión Tokamak ; y otro con un perfil que producía una barrera de transporte interna para un confinamiento mejorado. ^{[ 1 ]}