Stellarator
El stellarator (de stellar : stellaire y generator : generator) es un dispositivo destinado a la producción de reacciones controladas de fusión nuclear cerca del tokamak . El confinamiento del plasma se logra en su totalidad mediante un campo magnético helicoidal creado por la compleja disposición de bobinas alrededor del toro , alimentadas con fuertes corrientes y llamadas bobinas poloidales .
El estelarizador es análogo al tokamak excepto que no utiliza una corriente toroidal que fluye dentro del plasma para confinarlo.
En 2013, esta ruta fue objeto de un programa de investigación y tecnología (I + T) especialmente desarrollado en el Instituto Max-Planck de Física , en Alemania , porque tiene una ventaja sobre la fórmula tokamak : su regularidad. En efecto, los estelaradores tienen una operación que comprende un suministro eléctrico de los dos componentes del campo magnético de confinamiento continuo, mientras que los tokamaks integran necesariamente un origen cíclico para el componente del campo poloidal de la “botella magnética tórica”.
Historia
El stellarator es uno de los primeros dispositivos de fusión controlada cuyo concepto fue inventado en 1950 por Lyman Spitzer . Desarrollado durante las décadas de 1950 y 1960, se dejó de lado en la década de 1970 cuando tokamak funcionó mucho mejor.
Las dificultades conceptuales que el tokamak ha revivido la investigación sobre estelarador de la década de 1990 Siguieron varios experimentos: el Wendelstein 7-X en Alemania, Helically Symmetric Experiment (en) (HSX) en la Universidad de Wisconsin Madison en los Estados Unidos y el Large Helical Device (en ) a Toki (Gifu) en Japón.
Estados Unidos abandonó el 22 de mayo de 2008su proyecto National Compact Stellarator Experiment ( NCSX ) porque excedió el límite presupuestario del Congreso de los EE. UU. de $ 50 millones.
Descripción
Para confinar un plasma , un conjunto de muy baja densidad (cercano al vacío espacial) de electrones e iones que evolucionan a una temperatura de 100 a 150 millones de grados, debe estar encerrado en una botella magnética formada por líneas de campos magnéticos helicoidales. Así, las partículas cargadas eléctricamente que componen el plasma son atrapadas de manera muy eficiente por la fuerza de Lorentz ( ) y obligadas a describir trayectorias en espiral a lo largo de los generadores helicoidales cerrándose sobre sí mismas después de haber atravesado todo el toro. El confinamiento es tan efectivo que en una distancia de 10 cm a lo largo del gran radio del toro, la temperatura desciende varios millones de grados.
El funcionamiento del tokamak requiere un campo magnético poloidal producido por la circulación de una intensa corriente eléctrica alterna dentro del propio plasma. Este principio tiene importantes inconvenientes:
- Corriente alterna de intensidad variable del orden de un hercio y diez mega amperios : El concepto de campo poloidal se basa en un ciclo de variabilidad (mucho más lento que la corriente 220 V a 50 Hz ) para asegurar la viabilidad de su botella magnética tórica. Sin embargo, la suma de las potencias eléctricas implicadas en el suministro de todos los componentes del campo de confinamiento se aproxima a 40 a 50 MW en un reactor como el ITER , dentro del cual el componente inductivo es cíclico. El confinamiento también tiene una función cíclica, la producción de energía del reactor no es estrictamente constante y es muy difícil mantener constante el suministro eléctrico de un reactor industrial de 1200 MW en régimen cíclico.
- Interrupciones que degradan fuertemente la pared interna o incluso la integridad del tokamak. Las interrupciones son un evento muy temido en los tokamaks.
Por eso se consideró interesante explorar el camino paralelo de los estelaradores. Estos se basan en la idea de crear la configuración helicoidal del campo de confinamiento mediante una superposición de componentes de campos magnéticos creados por todas las corrientes continuas y sin corriente eléctrica inducida en el plasma. Sin embargo, es necesario recurrir a deformaciones muy complejas de las bobinas generadoras verticales del campo toroidal de un tokamak para que también generen componentes magnéticos poloidales. Es en cierto modo una topología de torsión helicoidal externa de las bobinas que genera campos de confinamiento que no utilizan ningún fenómeno de inducción, sino que operan con una corriente de alimentación directa.
Además de remover el sistema de inducción de corriente toroidal externa, los estelaradores evitan las tensiones cíclicas impuestas sobre las estructuras de soporte de las bobinas de inducción, en la cubierta interna de la cámara de contención, sometidas a flujos neutrónicos y térmicos periódicos, de donde se obtiene mayor potencial de confiabilidad. Generalmente, los esteladores están diseñados con simetría radial discreta, es decir, reproducen a intervalos radiales regulares la misma topología de bobina local. Muchos de ellos se basan en una reproducción regular de secciones cada 72 ° (simetría cíclica pentagonal).
La grandísima complejidad de la topología de las bobinas, la dificultad de su instalación, su problemática estabilidad estructural y geométrica bajo las restricciones autoimpuestas de Lorentz y, finalmente, la menor inversión dedicada a este sector, retrasan la llegada de los estelaradores como reactores industriales. . El régimen continuo le daría al sector estelarizador un mayor potencial de aplicación industrial que el de los tokamaks para 2060-2080.
El proyecto Wendelstein 7-X en ejecución desdediciembre de 2015en el Instituto Max-Planck de Física del Plasma en Alemania debería demostrar esta capacidad de funcionamiento continuo durante los próximos años.
Notas y referencias
( fr ) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado " Stellarator " ( consulte la lista de autores ) .- Michel Giannoni, " El stellarator: una etapa en la investigación de la fusión " , en polymedia.ch ,8 de junio de 2016(consultado el 1 er de septiembre de 2009 ) .