Stellarator

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Ejemplo de diseño de stellarator: Wendelstein 7-X. Un conjunto de bobinas (azul) rodea al plasma (amarillo), donde se resalta una línea de campo magnético (verde).

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Preparando las bobinas del stellarator experimental Wendelstein 7-X en Greifswald, Alemania.

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Un stellarator de tipo HSX

Un stellarator (del latín: stella, "estrella" y el inglés: generator, "generador") es un dispositivo de energía de fusión que confina el plasma mediante imanes externos. Es uno de los muchos tipos de dispositivos de fusión de confinamiento magnético y uno de los primeros que se inventaron. Es uno de los primeros dispositivos de energía de fusión diseñados por el ser humano.

El stellarator fue inventado por el científico estadounidense Lyman Spitzer Jr. en 1951. Gran parte de su desarrollo inicial corrió a cargo del equipo de Spitzer en lo que más tarde se convertiría en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. El modelo A de Spitzer entró en funcionamiento en 1953 y demostró la capacidad de confinamiento del plasma. Después hubo modelos más grandes, pero estos mostraron un rendimiento deficiente, con pérdidas de plasma a tasas que excedían las predicciones teóricas. A principios de la década de 1960, el foco volvió a la física teórica. A mediados de la década de 1960, Spitzer estaba convencido de que el stellarator igualaba la tasa de difusión de Bohm, lo que apuntaba a que nunca sería un dispositivo de fusión práctico.

El diseño del tokamak de la URSS auguraba un gran avance en cuanto a rendimiento. El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton transformó el stellarator modelo C en el tokamak simétrico para comprobar sus resultados, y logró superarlos. En Estados Unidos, los trabajos con los stellarator a gran escala fueron sustituidos por los tokamak. La investigación continuó en Alemania y Japón, abordando muchos de los problemas iniciales, y comenzó a acercarse al rendimiento de los primeros tokamak.

A largo plazo, se comprobó que el tokamak presentaba problemas similares a los de los stellarator (aunque por distintos motivos). A partir de la década de 1990, se reavivó el interés por los stellarator. Las nuevas técnicas permitieron aumentar la calidad y la intensidad del campo magnético, lo que mejoró su rendimiento.

Historia

Trabajo previo

En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en provocar una fusión, utilizando un acelerador de partículas para lanzar núcleos de deuterio contra una lámina metálica que contenía deuterio, litio u otros elementos. Estos experimentos les permitieron medir la sección eficaz nuclear de diversas reacciones de fusión entre núcleos. Determinaron que la reacción tritio-deuterio se producía a una energía inferior a la de cualquier otro combustible, alcanzando un máximo de unos 100 000 electronvoltios (100 keV).

100 keV corresponden a una temperatura aproximada de un millardo de Kelvin. Tal y como describe la estadística de Maxwell-Boltzmann, una cisterna de gas a una temperatura mucho más baja seguirá conteniendo algunas partículas con estas energías. Dado que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso un pequeño número de estas 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 del gas de unos 50 millones de grados Celsius, dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar el plasma; ningún recipiente material podía soportar esas temperaturas. Sin embargo, los plasmas son conductores de electricidad, lo que los somete a campos eléctricos y magnéticos.

En un campo magnético, los electrones y los núcleos del plasma giran alrededor de las líneas de fuerza magnéticas. Una forma de confinamiento consiste en colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide. Un solenoide crea líneas magnéticas que discurren por su centro, y el combustible se mantendría alejado de las paredes al orbitar alrededor de estas líneas de fuerza. Pero esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo para darle forma de toro (rosquilla), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan girar indefinidamente.

Sin embargo, por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toro están más próximos entre sí en la curva interior, dentro del «agujero del donut». Fermi señaló que esto provocaría que los electrones se alejaran de los núcleos, lo que acabaría generando grandes tensiones. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma del interior del toro se expandiera hasta chocar contra las paredes del reactor.

Stellarator

Tras la Segunda Guerra Mundial, los investigadores comenzaron a estudiar formas de confinar el plasma. George Paget Thomson, del Imperial College de Londres, propuso un sistema conocido hoy como «z-pinch», que consiste en hacer pasar una corriente a través del plasma. Debido a la fuerza de Lorentz, esta corriente genera un campo magnético que atrae el plasma hacia sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes. Esto elimina la necesidad de imanes externos, evitando así el problema de Fermi. A finales de la década de 1940, varios equipos de Reino Unido construyeron una serie de pequeños dispositivos experimentales utilizando esta técnica.

Ronald Richter fue un científico alemán que emigró a Argentina. Su «termotrón» utilizaba arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para el calentamiento y el confinamiento. 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 a sí mismo de que se había logrado la fusión, a pesar de las discrepancias con otros investigadores.

Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien le habló de un artículo sobre el proyecto Huemul publicado en el New York Times. Spitzer entendió que aquello no funcionaría porque el sistema no podía proporcionar suficiente energía. Entonces empezó a barajar alternativas, y se le ocurrió la idea del stellarator mientras subía en un telesilla.

Su enfoque consistió en modificar la disposición geométrica del toro para dar respuesta a las inquietudes de Fermi. Al girar un extremo del toro con respecto al otro, formando una disposición en forma de 8 en lugar de un círculo, las líneas magnéticas se acercaban y se alejaban del centro del toro. Una partícula que orbita alrededor de estas líneas se desplaza constantemente hacia dentro y hacia fuera a lo largo del eje menor del toro, desplazándose hacia arriba durante la mitad de una órbita e invirtiendo el sentido en la otra. Esta cancelación, que no es perfecta, parecía una forma de atrapar el combustible hasta que alcanzara las temperaturas requeridas.

Proyecto Matterhorn

Un laboratorio de investigación secreto de la Universidad de Princeton continuó con los trabajos teóricos sobre las bombas de hidrógeno a partir de 1951. Spitzer fue invitado a participar en este programa, dada su investigación previa sobre los plasmas interestelares.

Spitzer perdió entonces interés en el diseño de bombas y centró su atención en la fusión como fuente de energía. Spitzer elaboró una serie de informes en los que esbozaba las bases conceptuales del stellarator, así como los posibles problemas. La serie destaca por su profundidad; incluía un análisis detallado de las matemáticas del plasma y la estabilidad, junto con el calentamiento del plasma y el tratamiento de las impurezas.

Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener financiación. Su plan constaba de tres fases, cada una de las cuales dependía del éxito de la fase anterior a lo largo de una década:

• El modelo A buscaba demostrar que se podía crear plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que el de un toro.
• El modelo B calentaría el plasma hasta temperaturas de fusión.
• El modelo C intentaría crear reacciones de fusión a gran escala.

Por aquella misma época, Jim Tuck había conocido el concepto del «pinch» mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford. Finalmente acabó en Los Álamos, donde dio a conocer el concepto al resto de investigadores. Cuando se enteró de que Spitzer estaba promoviendo el stellarator, viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de tipo «pinch». Consideraba que los planes de Spitzer eran «increíblemente ambiciosos». Sin embargo, a Spitzer se le concedieron 50 000 dólares, mientras que Tuck no recibió nada.

Spitzer, un ávido alpinista, propuso el nombre de «Proyecto Matterhorn» porque consideraba que «el trabajo que tenían entre manos parecía difícil, como el ascenso a una montaña». Inicialmente se crearon dos secciones: la sección S, que trabajaba en el stellarator bajo la dirección de Spitzer, y la sección B, que trabajaba en el diseño de la bomba bajo la dirección de Wheeler. Spitzer estableció la sección S, de alto secreto, en una antigua conejera.

Los demás laboratorios comenzaron entonces a presionar para obtener su propia financiación. Tuck logró conseguir algo de financiación para su Perhapsatron a través de algunos presupuestos discrecionales del LANL, pero otros equipos del LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también buscaban fondos. La AEC acabó organizando el proyecto Sherwood, un nuevo departamento para estos proyectos.

Primeros dispositivos

Spitzer invitó a James van Allen a unirse al grupo y a poner en marcha un programa experimental. Allen sugirió comenzar con un dispositivo de mesa. Esto dio lugar al diseño del modelo A, cuya construcción comenzó en 1952. Estaba fabricado con tubos de pyrex de 5 cm y una longitud total de unos 350 cm, y con imanes capaces de generar unos 1000 Gauss. La máquina entró en funcionamiento a principios de 1953 y demostró claramente una mejora en el confinamiento con respecto al simple toro.

Esto condujo al Modelo B, cuyos imanes no estaban bien montados y tendían a moverse cuando se alimentaban a 50 000 Gauss. Un segundo diseño fracasó por la misma razón, pero esta máquina generó rayos X de varios cientos de kilovoltios, lo que sugería un buen confinamiento.

A continuación vino el B-1, que utilizaba calentamiento óhmico para alcanzar unos 100 000 grados. Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma emitían rayos X de gran energía que enfriaban el plasma. En 1956, el B-1 se reconstruyó con un sistema de vacío ultraalto 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 10 milisegundos. Esto parecía deberse a «efectos cooperativos» dentro del plasma.

El B-2 era similar al B-1, pero utilizaba energía pulsada para alcanzar una mayor energía magnética e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como «bombeo magnético». Esta máquina se modificó para añadir un sistema de vacío ultraalto. Desafortunadamente, el B-2 demostró un calentamiento escaso debido al bombeo magnético, dados los tiempos de confinamiento más largos que requería. Se exhibió en la exposición «Átomos para la Paz». Sin embargo, las modificaciones del sistema de calentamiento aumentaron el acoplamiento, demostrando temperaturas dentro de la sección de calentamiento de hasta 1000 eV, alrededor de 12 millones de K.

El B-64 se completó en 1955; era esencialmente un B-1 más grande, pero alimentado por pulsos que producían hasta 15 000 Gauss. Esta máquina incluía un «divertor», que eliminaba las impurezas del plasma, reduciendo en gran medida el efecto de enfriamiento por rayos X. El B-64 incluía secciones rectas en los extremos curvos, lo que le daba un aspecto cuadrado. Este aspecto le valió los apodos de «8 al cuadrado» o «64». En 1956, la máquina se volvió a montar sin la torsión en los tubos, lo que permitía que las partículas se desplazaran sin rotación.

La B-65, terminada en 1957, se construyó utilizando la disposición de «pista de carreras», tras observar que añadir bobinas helicoidales a las partes curvas del dispositivo producía un campo que introducía la rotación únicamente a través de los campos magnéticos resultantes. Esto tenía la ventaja añadida de que el campo magnético incluía cizallamiento, lo que se sabía que mejoraba la estabilidad.

El B-3, también terminado en 1957, era una versión ampliada del B-2 con vacío ultraalto y confinamiento pulsado de hasta 50 000 Gauss, con tiempos de confinamiento previstos de hasta 0,01 segundos.

El último de la serie B fue el B-66, terminado en 1958, que era básicamente una combinación de la disposición en forma de pista de carreras con el mayor tamaño y la mayor energía del B-3.

Desgraciadamente, estas máquinas de mayor tamaño mostraron el fenómeno de «pump out». Este efecto provocó tasas de deriva del plasma superiores a las sugeridas por la teoría clásica y mucho más altas que las tasas de Bohm. La tasa de deriva del B-3 fue tres veces superior a las peores predicciones de Bohm, y no logró mantener el confinamiento durante más de unas pocas decenas de microsegundos.

Modelo C

Ya en 1954, el diseño del modelo C estaba tomando forma. Se configuró como una gran pista de carreras con múltiples fuentes de calentamiento y un «divertor», es decir, básicamente un B-66 de mayor tamaño. La construcción comenzó en 1958 y finalizó en 1961. Se podía ajustar para permitir un eje menor del plasma de entre 5 y 7,5 cm y tenía una longitud de 1200 cm. Las bobinas de campo toroidales funcionaban normalmente a 35 000 Gauss.

Cuando el modelo C entró en funcionamiento, ya se sabía que no produciría fusión a gran escala. El transporte de iones a través de las líneas del campo magnético excedía lo sugerido en la teoría clásica. El aumento considerable de los campos magnéticos no sirvió de mucho para solucionar esto, y los tiempos de confinamiento no mejoraron. La atención se centró en la comprensión teórica del plasma. En 1961, Melvin B. Gottlieb sustituyó a Spitzer al frente de Matterhorn, y el proyecto pasó a denominarse Laboratorio de Física del Plasma de Princeton.

La experimentación continua mejoró poco a poco la máquina, y los tiempos de confinamiento acabaron aumentando hasta igualar los previstos por Bohm. Con el tiempo, las nuevas versiones de los sistemas de calentamiento aumentaron las temperaturas. Destacó la incorporación en 1964 de un pequeño acelerador de partículas para acelerar los iones de combustible hasta una energía lo suficientemente alta como para atravesar los campos magnéticos, depositando energía dentro del reactor al colisionar con los iones que ya se encontraban en su interior. Este método de inyección de haz neutro es casi universal en las máquinas de fusión de confinamiento magnético.

El modelo C se dedicó durante la mayor parte de su historia a estudios sobre el transporte de iones. Gracias al ajuste continuo del sistema magnético y a la incorporación de nuevos métodos de calentamiento, en 1969 el modelo C logró alcanzar temperaturas de electrones de 400 eV, es decir, 4,6 millones de K.

Otros enfoques

Los diseños de stellarator se multiplicaron, adoptando una disposición magnética simplificada. El modelo C utilizaba bobinas de confinamiento y bobinas helicoidales separadas. Otros investigadores, especialmente en Alemania, observaron que se podía lograr la misma configuración general del campo magnético con una disposición alternativa, que se conocería como «torsatrón» o «heliotrón».

En estos diseños, el campo principal proviene de un imán helicoidal especialmente grande. Para producir el campo neto, un segundo conjunto de bobinas que discurren de forma poloidal alrededor del exterior del imán helicoidal genera un campo vertical que se mezcla con el helicoidal. El resultado es una disposición simplificada, ya que los imanes poloidales suelen ser pequeños y dejan huecos entre sí para llegar al interior, y la posibilidad de sustituir un imán sin tener que desarmar todo el sistema.

Aparición del tokamak

En 1968, los científicos de la Unión Soviética dieron a conocer los resultados de sus experimentos con máquinas tokamak, en particular con el T-3. Los resultados fueron tan inesperados que el escepticismo se extendió ampliamente. Para hacer frente a esta situación, los soviéticos invitaron a expertos del Reino Unido a probar las máquinas. En sus pruebas utilizaron un sistema láser desarrollado para el reactor ZETA con el fin de verificar las afirmaciones soviéticas sobre temperaturas de electrones de 1000 eV. Apresuradamente se comenzó a construir más máquinas tokamak en todo el mundo.

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 stellarator mientras otros grupos reclamaban fondos para construir sus propios tokamak. 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.

El Tokamak Simétrico igualó inmediatamente el rendimiento de las máquinas soviéticas, superando los resultados del modelo C en más de diez veces. A partir de entonces, el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton se convirtió en el principal desarrollador del enfoque del tokamak en EE. UU., introduciendo una serie de máquinas para probar diversos diseños. El Princeton Large Torus de 1975 alcanzó rápidamente varios parámetros de rendimiento requeridos para una máquina comercial, y se creía ampliamente que el umbral crítico de rentabilidad se alcanzaría a principios de la década de 1980 gracias a máquinas más grandes y sistemas de calentamiento más potentes.

Los tokamak son un tipo de máquina de compresión que se diferencia de los diseños anteriores principalmente por la intensidad de la corriente en el plasma: por encima de un umbral determinado, conocido como factor de seguridad o q, el plasma se vuelve más estable. El ZETA funcionaba con un q de alrededor de 1/3, mientras que los tokamak demostraron empíricamente que debía ser de al menos 1. Las máquinas que siguieron esta regla mostraron rendimientos superiores. Sin embargo, a mediados de la década de 1980, la energía de fusión seguía sin ser una realidad; y a medida que la intensidad de la corriente en las nuevas máquinas comenzó a aumentar, aparecieron nuevas inestabilidades en el plasma. La solución era aumentar los campos magnéticos, y para ello emplear imanes superconductores en cámaras de confinamiento tan grandes que solo se podían financiar mediante proyectos internacionales como el ITER.

Regreso del stellarator

Archivo:Stellarator progress.png

Un gráfico que muestra el aumento del tamaño y del campo magnético de los dispositivos stellarator experimentales. La forma de los gráficos indica el tipo de dispositivo.

A medida que el enfoque del tokamak perdía fuerza, resurgió el interés por los stellarator. Esto coincidió con el desarrollo de herramientas avanzadas de diseño asistido por ordenador que permitieron la construcción de imanes complejos que, aunque se conocían desde antes, se consideraban demasiado difíciles de diseñar y construir.

Los nuevos materiales y métodos de construcción aumentaron la calidad y la potencia de los campos magnéticos, mejorando el rendimiento. Entre los nuevos dispositivos construidos para probar estos conceptos se incluyen el Wendelstein 7-X (W7-X) en Alemania, el Helically Symmetric Experiment (HSX) en EE. UU. y el Large Helical Device (LHD) en Japón. El W7-X y el LHD utilizan bobinas magnéticas superconductoras.

La ausencia de corriente interna elimina algunas de las inestabilidades del tokamak, lo que permitió que el stellarator fuera más estable en condiciones de funcionamiento similares. Dado que carece del confinamiento que proporciona la corriente presente en un tokamak, el stellarator requiere imanes más potentes para alcanzar cualquier nivel de confinamiento dado. El stellarator es una máquina inherentemente de estado estacionario, lo que presenta varias ventajas desde el punto de vista de la ingeniería.

Resultados recientes

En 2023, el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton construyó un dispositivo experimental utilizando principalmente componentes comerciales por un precio de 640 000 dólares. Su núcleo es una cámara de vacío de vidrio rodeada por una carcasa de nailon impresa en 3D que sujeta 9920 imanes permanentes y está envuelta por dieciséis electroimanes.

Métodos para calentar el plasma

El plasma puede calentarse de diversas formas:

• Calentamiento por corriente: el plasma se calienta cuando recibe corriente (debido a la resistencia eléctrica). Solo se utiliza para el calentamiento inicial, ya que la resistencia es inversamente proporcional a la temperatura del plasma.

• Ondas electromagnéticas de alta frecuencia: el plasma absorbe energía cuando se le aplican ondas electromagnéticas (de forma análoga a un horno microondas).

• Calentamiento por partículas neutras: un inyector de haz de partículas neutras genera iones y los acelera mediante un campo eléctrico. Para evitar que se vean afectados por el campo magnético del stellarator, los iones deben neutralizarse. A continuación, los iones neutralizados se inyectan en el plasma. Su elevada energía cinética se transfiere a las partículas del plasma mediante colisiones, calentándolas.

Configuraciones

Archivo:Magnetic field stellarator.png

Esquema de un stellarator clásico con bobinas helicoidales (blancas) y bobinas de campo toroidales (verdes)

Existen varias configuraciones diferentes de stellarator, entre las que se incluyen:

• Figura 8, o stellarator espacial: el stellarator del modelo A de Princeton se basa en el diseño en forma de ocho de 1953. Logró una transformación rotacional mediante la torsión del eje magnético. Se trata de una configuración helicoidal.
• Pista de carreras, o stellarator clásico: también conocido como modelo C de Princeton, este stellarator genera un campo magnético conectando el plasma de forma poloidal y toroidal a través de bobinas helicoidales. Los stellarator con esta configuración de «helitrón» solo estuvieron operativos hasta finales de la década de 1960 debido a problemas con el confinamiento de partículas.

Archivo:Advanced Toroidal Facility, 1986 (49743086486).png

Construcción del Torsatrón ATF (1986)

• Torsatrón: un torsatrón es un tipo de stellarator que utiliza bobinas helicoidales externas de bobinado continuo para generar el campo magnético. El campo magnético es similar al diseño de pista de carreras, pero utiliza solo un conjunto de bobinas. Esto simplifica la estructura, lo que podría mejorar la estabilidad del plasma. Un ejemplo de torsatrón es el Compact Toroidal Hybrid (CTH).
• Heliotrón: el heliotrón es un stellarator diseñado en Japón que utiliza una bobina helicoidal para confinar el plasma y un par de bobinas de campo poloidal para generar un campo vertical. Las bobinas helicoidales y toroidales trabajan conjuntamente para generar el campo magnético. Su estructura de bobinas simplificada facilita la fabricación, mientras que su sistema de bobinas modular ofrece mayor flexibilidad a la hora de manipular el campo magnético. El Large Helical Device de Japón es un ejemplo de esta configuración.

Archivo:TJ-II model including plasma, coils and vacuum vessel.jpg

TJ-II Heliac

• Heliac: un stellarator de eje helicoidal, en el que el eje magnético (y el plasma) sigue una trayectoria helicoidal para formar una hélice toroidal en lugar de una simple forma anular. El plasma retorcido induce una torsión en las líneas del campo magnético para lograr la cancelación de la deriva, y normalmente puede proporcionar más torsión que el torsatrón o el heliotrón, especialmente cerca del centro del plasma (eje magnético). El heliac original consta únicamente de bobinas circulares, y el heliac flexible (H-1NF, TJ-II, TU-Heliac) añade una pequeña bobina helicoidal que permite variar la torsión en un factor de hasta 2.
• Stellarator modular: un stellarator con un conjunto de bobinas modulares (separadas) y una bobina toroidal retorcida. Por ejemplo, el Experimento Helocoidalmente Simétrico (HSX) y Helias.
  • Helias: un stellarator helicoidal avanzado que utiliza un conjunto de bobinas modulares optimizadas, diseñado para lograr simultáneamente un plasma de alta densidad, corrientes de Pfirsch-Schlüter bajas y un buen confinamiento de partículas energéticas; es decir, partículas alfa para escenarios de reactor. El W7-X se basa en una configuración Helias de cinco períodos de campo.

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Véase también

• Ver el portal sobre Energía Portal:Energía. Contenido relacionado con Energía.
• Sonda de Langmuir

Enlaces externos

• Archivo:Commons-logo.svg Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Stellarator.
• Stellarator en FusionWiki.
• Antigua revista Stellarator News, del Laboratorio Nacional Oak Ridge
• Fotografías de varios stellarator
• Wendelstein 7-X at the Greifswald branch of IPP (en inglés)
• Large Helical Device (LHD) Project (en inglés)