Usuario:Sascr/Taller

Tokamak

El Tokamak es un tipo de reactor de fusión nuclear basado en el principio de confinamiento magnético. “Tokamak” es un acrónimo del ruso que significa “cámara toroidal con bobinas magnéticas”. La fusión nuclear controlada es el proceso en el cual núcleos atómicos ligeros son forzado a unirse, así convirtiendo una considerable cuantidad de energía nuclear en energía cinética de los productos.

El objetivo de un reactor de fusión sería utilizar esta energía cinética para calentar un depósito de agua y generar electricidad mediante una turbina de vapor. Para ser económicamente viable, es necesario generar (en forma eléctrica) un múltiplo de la energía necesaria para la operación del reactor. Esto no debe ser confundido con el punto de equilibrio (en ingles llamado "breakeven"), expresado por $Q=P_{\mathrm {fus} }/P_{\mathrm {cal} }=1$, donde la potencia de fusión $P_{\mathrm {fus} }$ está igual a la potencia $P_{\mathrm {cal} }$ necesitada para calientar el plasma. Así, aunque el futuro Tokamak ITER tiene como objectivo lograr una potencia de fusión $P_{\mathrm {fus} }=500\,\mathrm {MW}$ a partir de $P_{\mathrm {cal} }=50\,\mathrm {MW}$ (o sea $Q=10$), ITER no producerá electrecidad porque es un experimento scientifico destinado a mostrar la viabilidad de un reactor de fusión​.

El principio de un Tokamak

Para conseguir la fusión de núcleos en un Tokamak, un combustible gaseoso de elementos ligeros (típicamente isótopos de hidrógeno) es introducido en una cámara de vacío toroidal. El combustible es calentado y ionizado, es decir los electrones que tienen una carga negativa son separados de los núcleos cargados positivamente (también conocidos como iones). Así el combustible se convierte en un gas caliente de partículas libres y cargadas eléctricamente, llamado un plasma, que responde al influjo de campos eléctricos y magnéticos por la Fuerza de Lorentz. De ese modo se puede confinar el movimiento de las partículas en el interior de la cámara a través de campos magnéticos fuertes generados por bobinas. Para superar la repulsión electrostática entre los iones y obtener la fusión de ellos, el plasma debe tener un temperatura suficiente, que en un reactor de fusión debería estar entre 150 y 300 millones de °C.​

El plasma es calentado hasta llegar temperaturas entre 150 y 300 millones de °C (https://www.iter.org/mach/Tokamak) que son suficientes para obtener con apreciable probabilidad la fusión de iones.

Confiniamento del plasma

Aunque la energía cinética de los iones, en un plasma de temperatura suficiente, pueda superar la repulsión electrostática entre cargas similares, la fusión de dos iones después de una colisión sigue siendo mucho menos probable que una dispersión en direcciones aleatorias. Así que, para obtener con apreciable probabilidad la fusión de iones, es necesario que el plasma sea confinado y tenga una cierta presión, de modo que los iones pueden colisionar frecuentemente y sin ser dispersados fuera del plasma. Además, con las temperaturas extremas (150 millones de °C corresponde a cerca de diez veces la temperatura del núcleo del sol) es crucial que el plasma no tenga ningún contacto directo con las paredes de la cámara de vacío. En caso contrario perdería inmediatamente su energía térmica dañando las paredes.

Confiniamento magnético en un Tokamak

En un Tokamak, el confinamiento se realiza a través de campos magnéticos, que constriñen el movimiento de los electrones y iones en la dirección perpendicular a las líneas de campo magnético. En un campo magnético ${\vec {B}}$, la Fuerza de Lorentz experimentada por una partícula es ${\vec {F}}=q\,({\vec {v}}\times {\vec {B}})$, donde $q$ es su carga y ${\vec {v}}$ su velocidad. La fuerza está perpendicular al campo magnético y a su velocidad. El movimiento resultante es helicoidal, una superposición de la velocidad invariada paralela a ${\vec {B}}$ y del movimiento giratorio en el plano perpendicular a ${\vec {B}}$. El radio de giro (también llamado el radio de Larmor) se obtiene al igualar la Fuerza de Lorentz y la Fuerza centrípeta F = mv²/r: r = mv/q B , donde v es la componente de la velocidad ortogonal a B, m la masa, q la carga de la partícula.

De ese modo el plasma está confinado en un plano perpendicular a las líneas de campo, pero las partículas pueden moverse libremente paralelo a ellas.

El campo toroidal

La geometría toroidal de la cámara (similar a la de un donut) y un campo magnético toroidal permiten un confinamiento también en la dirección de propagación de las partículas. Así las líneas de campo están cerradas sobre sí mismas, evitando que las partículas se pierdan al final de ellas.

El campo toroidal está generado por una serie de bobinas externas, que envuelven la cámara de vacío.

Pero el campo toroidal no basta para un confinamiento suficiente. Se necesita un campo adicional en la dirección poloidal. Las líneas de ambos campos adicionados tienen una forma helicoidal. En un reactor de fusión nuclear de tipo “Stellerator”, se obtiene este campo helicoidal con una configuración complexa da bobinas externas.

El campo poloidal

En el caso del Tokamak, el campo poloidal es generado según la Ley de Ampere por medio de una corriente eléctrica en el plasma en la dirección toroidal. La corriente se logra por ejemplo por inducción electromagnética, mediante un campo magnético variable en bobinas situadas en el centro del toro. Otras técnicas para realizar la corriente (y también calentar el plasma) utlizan ondas electromagnéticas o la inyección de haz neutro​.

Motivación para la necesidad del campo poloidal

El campo magnético addicional en la dirección poloidal es necesario porque en un campo solamente toroidal hay efectos de derivas que destruyen el confinamiento dentro de microsegundos.​ Las derivas provienen de la curvatura y del gradiente del campo magnético (la magnitud del campo disminuye con la distancia desde el centro del toro). Las partículas derivan verticalmente (en la dirección perpendicular a B y al radio de curvatura), pero en direcciones opuestas para los iones y los electrones, así resultando en una separación vertical de cargas. El campo eléctrico generado por esta separación a su volta provoca una deriva rápida hacia el exterior de la cámara (más precisamente en la dirección perpendicular a E y B), para iones como electrones, resultando finalmente en la pérdida total del confinamiento del plasma. Ese problema es solucionado con una componente de campo magnético poloidal, porque siguiendo las líneas helicoidales del campo, las partículas pasan el mismo tiempo en la parte superior e inferior del plasma. Todavía hay las derivas verticales, pero en promedio no hay una deriva neta, porque la mitad del tiempo la deriva está orientada hacia el límite superior o inferior de la cámara (dependiendo del tipo de partícula considerado) y la otra mitad hacia el centro del plasma.

Otros campos

- bobinas poloidales: formación de la sección transversal del plasma, stabilización contrarrestando las fuerzas radiales de la corriente

Tokamaks actuales y futuros

Actualmente (octubre de 2020), existen 89 despositivos operacionales de fusión operativos, 53 de los cuales son de tipo Tokamak​.

El Joint European Torus (JET) en Inglaterra y el Japan Torus-60 (JT-60U) en Japón son entrados en operación en los años 80 y desde entonces han sido los más grandes Tokamak del mundo. Mientras que Torus-60 estableció el récord de triplo producto de fusión (falta citación), JET ha logrado en 1997 un valor récord de potencia de fusión de 16 MW ​ y está actualmente el único experimento capaz de operar con tritio.​ Mientras tanto JT-60U ha sido sustituido por JT-60SA, que debe entrar en operación con el primero plasma ese año 2020.​ Hasta que ITER entre en funcionamento, JT-60SA será el dispositivo de fusión por confiniamento magnético más grande del mundo.

ITER es un proyecto científico que consiste a construir en una colaboración internacional de 35 países un Tokamak de dimensiones colosales (por ejemplo, el criostato que circunda gran parte de los componentes del Tokamak tendrá cerca de 30m de altura e igual anchura​). El objetivo es, entre otros, de generar una potencia de fusión superior por un factor de diez a la potencia necesitada para calentar el plasma. ITER se está construyendo actualmente en Cadarache en el sur de Francia. El primero plasma está programado según el calendario actual (octubre de 2020) de la Organización ITER para diciembre 2025​, y el primero D-T plasma (utilizando un combustible de deuterio y tritio) para 2035.