Stellarator

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).

Un stellarator es un dispositivo utilizado para confinar plasmas calientes mediante campos magnéticos con el objetivo de mantener reacciones de fusión nuclear de forma controlada. Es uno de los primeros dispositivos de confinamiento magnético diseñados, y fue inventado por Lyman Spitzer en 1950 y construido un año después en lo que más tarde sería el Laboratorio de Princeton de Física de Plasma. Su nombre hace referencia a las estrellas ("stella") y al uso del mismo principio físico que las sustenta para generar energía ("generator").

Los stellarators fueron el diseño dominante en los años 50 y 60, pero el hecho de que los tokamak obtuvieran muchos mejores resultados hizo que perdieran relevancia. Más recientemente, en los años 90, los problemas asociados al concepto tokamak renovaron el interés por los stellarators, lo que hizo que se construyeran nuevos dispositivos. Los más relevantes todavía en operación son Wendelstein 7-X en Alemania, HSX (Helically Symmetric Experiment) en EE.UU., LHD (Large Helical Device) en Japón , TJ-II en España y recientemente el SCR-1 (Stellarator de Costa Rica 1) en Costa Rica.

Descripción

Fundamentos[3]

La investigación en fusión siguió inicialmente dos líneas principales; dispositivos basados en la compresión momentánea del combustible de fusión a altas densidades, como el dispositivo llamado "pinch" (estudiado principalmente en el Reino Unido) y dispositivos que empleaban densidades más bajas de combustible pero lo mantenían confinado durante más tiempo, como el espejo magnético y el stellarator. En los últimos, el principal problema era confinar el plasma durante tiempo suficiente sin que la pérdida de partículas redujera la energía contenida en el dispositivo.

Dado que el plasma está cargado eléctricamente, y por tanto sus partículas están sujetas a la fuerza de Lorentz, es posible confinarlo mediante un campo magnético convenientemente diseñado. El diseño más sencillo es el de un solenoide, consistente en una espiral de cable rodeando un cilindro hueco. Una corriente eléctrica a lo largo del cable crea un campo magnético en la dirección del eje del cilindro. Las partículas de un plasma dentro de dicho cilindro se moverán principalmente a lo largo del eje, sin tocar las paredes del cilindro.

Una forma de evitar que el plasma escape del cilindro por los extremos es doblarlo y convertirlo en un anillo (matemáticamente, un toroide). No obstante, esto hace que el campo magnético deje de ser uniforme (es más débil en la parte exterior del anillo que en la interior) lo que hace que las partículas vayan derivando, alejándose en promedio del centro del volumen de confinamiento, y acaben alcanzando la pared.

Primer stellarator

Campo magnético de un stellarator

La innovación de Spitzer consistió en una alteración de esta geometría, estirando el toroide y retorciéndolo hasta darle forma de 8. De este modo, se consigue que la deriva asociada a la no uniformidad del campo magnético vaya en ocasiones dirigida hacia el centro y en ocasiones hacia las paredes. De este modo, se aumenta el tiempo de confinamiento en órdenes de magnitud.

Nuevos diseños

En general, la idea del diseño stellarators consiste en generar un campo magnético no uniforme ni simétrico en que las derivas de las partículas en determinadas regiones se compensen con las de otras regiones. Un stellarator en que las derivas se cancelan exactamente se llama "omnígeno", y conseguir que el stellarator esté lo más cerca posible de esta situación es un objetivo primario al diseñarlo. Para ello se utilizan diferentes conjuntos de bobinas de distintas formas.

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