Un aparato (300) para generar un campo magnético con topología invertida en campo,

dentro de una cámara, para contener magnéticamente iones de plasma dentro de la cámara, y un campo electrostático dentro de la cámara, con el fin de contener electrostáticamente electrones de plasma en el interior de la cámara, que comprende

una cámara de forma cilíndrica (310), que tiene un eje longitudinal (315),

un generador de campo magnético, acoplado a la cámara a lo largo del eje longitudinal de la cámara, de tal manera que el generador de campo magnético comprende una pluralidad de bobinas de campo (325) destinadas a crear un campo magnético aplicado con un flujo que se extiende axialmente cuando se dirige corriente a través de la pluralidad de bobinas de campo,

una fuente (345) de plasma, acoplada a la cámara para inyectar un plasma que contiene electrones e iones en la cámara,

una bobina de flujo (320), acoplada a la cámara y concéntrica con el eje longitudinal, y

inyectores (340) de haces de iones, destinados a inyectar haces de iones neutralizados en la cámara, de tal manera que los haces inyectados se inyectan a una velocidad, y el campo magnético aplicado se genera con una magnitud, tales que provocan la creación de un campo electrostático que confina los electrones del plasma, caracterizado porque

la bobina de flujo comprende una pluralidad de bobinas arrolladas en paralelo para crear un campo eléctrico azimutal dentro de la vasija, en torno a la bobina de flujo, cuando la velocidad con la que la corriente es dirigida a través de la bobina se incrementa, de tal manera que el campo eléctrico azimutal es adecuado para causar la rotación del plasma (335) y para la formación de un campo magnético poloidal alrededor del plasma en rotación, de modo que los campos magnéticos poloidal y aplicado se combinan para formar un campo magnético de configuración invertida en campo (FRC)

Confinamiento magnético y eletroestático de plasma en una configuración invertida en campo.

Esta invención se ha llevado a cabo con el apoyo del Gobierno, bajo el Contrato Nº N00014-99-1-0857, adjudicado por la Oficina de Investigación Naval ("Office of Naval Research"). Ciertas investigaciones sobre antecedentes fueron auspiciadas por el Departamento Norteamericano de Energía ("U.S. Department of Energy") durante los años 1992 a 1993. El Gobierno ostenta ciertos derechos en esta invención.

Campo de la invención

La invención se refiere generalmente al campo de la física del plasma y, más particularmente, a métodos y a aparatos para el confinamiento de plasma. El confinamiento del plasma es de particular interés para el propósito de hacer posible una reacción de fusión nuclear.

Antecedentes de la invención

La fusión es el proceso por el que dos núcleos ligeros se combinan para formar uno más pesado. El proceso de fusión libera una ingente cantidad de energía en forma de partículas que se mueven rápidamente. Debido a que los núcleos atómicos están cargados positivamente -como consecuencia de los protones contenidos en su interior-, existe una fuerza electrostática, o de Coulomb, repulsiva entre ellos. Para que se fusionen dos núcleos, esta barrera repulsiva debe ser vencida, lo que se produce cuando dos núcleos se llevan lo suficientemente cerca uno del otro para que las fuerzas nucleares de corto alcance se hagan lo suficientemente fuertes para superar la fuerza de Coulomb y fusionen los núcleos. La energía que se necesita para que los núcleos superen la barrera de Coulomb viene proporcionada por sus energías térmicas, que han de ser muy altas. Por ejemplo, la tasa o velocidad de fusión puede ser apreciable si la temperatura es al menos del orden de 10⁴ eV -correspondiente, de forma aproximada, a 100 millones de grados Kelvin. La velocidad de una reacción de fusión es función de la temperatura y se caracteriza por una magnitud denominada reactividad. La reactividad para una reacción de D-T [deuterio-tritio], por ejemplo, tiene un ancho pico entre 30 keV y 100 keV.

Reacciones de fusión típicas incluyen:

donde D indica deuterio, T indica tritio, a indica un núcleo de helio, n indica un neutrón, p indica un protón, He indica helio y B¹¹ indica Boro-11. Los números entre paréntesis en cada ecuación indican la energía cinética de los productos de fusión.

Las dos primeras reacciones anteriormente referidas -las reacciones de D-D y las reacciones de D-T- son neutrónicas, lo que significa que la mayor parte de la energía de sus productos de fusión es portada por neutrones rápidos. Las desventajas de las reacciones neutrónicas son que (1) el flujo de neutrones rápidos crea muchos problemas, incluyendo daños estructurales en las paredes del reactor y altos niveles de radiactividad para la mayor parte de los materiales de construcción; y (2) la energía de los neutrones rápidos se recoge al convertir su energía térmica en energía eléctrica, lo cual es muy ineficiente (menos del 30%). Las ventajas de las reacciones neutrónicas son (1) sus picos de reactividad a una temperatura relativamente baja; y (2) que sus pérdidas debidas a la radiación son relativamente bajas porque los números atómicos del deuterio y del tritio son 1.

Los reactantes de las otras dos ecuaciones -D-He³ y p-B¹¹- reciben el nombre de combustibles avanzados. En lugar de producir neutrones rápidos como en las reacciones neutrónicas, sus productos de fusión son partículas cargadas. Una ventaja de los combustibles avanzados es que pueden crear un número mucho menor de neutrones y, por tanto, adolecen de menos desventajas asociadas con ellos. En el caso de D-He³, algunos neutrones rápidos son producidos por las reacciones secundarias, pero estos neutrones representan tan sólo el 10 por ciento aproximadamente de los productos de fusión. La reacción del p-B¹¹ está libre de neutrones rápidos, si bien produce, en efecto, algunos neutrones lentos como resultado de las reacciones secundarias, aunque crea mucho menos problemas. Otra ventaja de los combustibles avanzados es que la energía de sus productos de fusión puede ser recogida con una alta eficiencia, de hasta el 90 por ciento. En un proceso de conversión directa de energía, sus productos de fusión cargados pueden ser ralentizados y su energía cinética convertida directamente en electricidad.

Los combustibles avanzados también tienen desventajas. Por ejemplo, los números atómicos de los combustibles avanzados son mayores (2 para el He³ y 5 para el B¹¹). En consecuencia, sus pérdidas por radiación son mayores que las de las reacciones neutrónicas. Asimismo, resulta mucho más difícil hacer que los combustibles avanzados se fusionen. Sus picos de reactividades se producen a temperaturas mucho más elevadas y llegan a ser tan altos como la reactividad para el D-T. Provocar una reacción de fusión con los combustibles avanzados requiere, en consecuencia, que éstos se lleven a un estado de energía más alta en el que su reactividad sea significativa. De acuerdo con ello, los combustibles avanzados deben ser contenidos durante un periodo de tiempo más largo, de tal manera que puedan ser llevados a unas condiciones de fusión apropiadas.

El tiempo de contención para un plasma es ?t = r²/D, donde r es una dimensión mínima del plasma y D es un coeficiente de difusión. El valor clásico para el coeficiente de difusión es, D_c = a^2}_i/t_ie donde a_i es el giro-radio o radio de giro iónico [radio del movimiento circular de una partícula cargada en el seno de un campo magnético uniforme] y t_ie es tiempo de colisión de ión-electrón. La difusión, de acuerdo con el coeficiente de difusión clásico, se denomina transporte clásico. El coeficiente de difusión de Bohm, atribuido a las inestabilidades de longitud de onda corta, es donde O_j es la giro-frecuencia o frecuencia de giro [frecuencia de giro del movimiento circular de una partícula cargada en el seno de un campo magnético uniforme] iónica. La difusión, de acuerdo con esta relación, se denomina transporte anómalo. Para las condiciones de fusión, 1002 el transporte anómalo da lugar a un tiempo de contención mucho más corto lo que lo hace el transporte clásico. Esta relación determina cuán grande debe ser un plasma en un reactor de fusión, al requerirse que el tiempo de contención para una cantidad dada de plasma deba ser más largo que el tiempo necesario para que el plasma tenga una reacción de fusión nuclear. Por lo tanto, la condición de transporte clásica es más deseable en un reactor de fusión, lo que permite plasmas iniciales más pequeños.

En los primeros experimentos con el confinamiento toroidal de plasma, se observó un tiempo de contención 1003 Una de las concepciones de reactor nuclear ya existentes es el Tokamak. El campo magnético de un Tokamak 68 así como una órbita de partícula típica 66 se ilustran en la Figura 5. Durante los últimos 30 años, los esfuerzos de fusión se han venido concentrando en el reactor Tokamak que utilizaba combustible de D-T. Estos esfuerzos han culminado en el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER -"International Thermonuclear Experimental Reactor"), que se ilustra en la Figura 7. Los experimentos recientes con Tokamak sugieren que el transporte clásico, es posible, en cuyo caso la dimensión mínima para el plasma puede ser reducida de metros a centímetros. Estos experimentos implicaban la eyección de haces energéticos (de 50 keV a 100 keV) para calentar el plasma hasta temperaturas de entre 10 keV y 30 keV. Véase la divulgación de W. Heidbrink & G. J. Sadler, 34 Nuclear Fusion 535 (1994). Se observó que los iones de haces energéticos de estos experimentos se ralentizaban y difundían de forma clásica al tiempo que el plasma térmico continuaba difundiéndose de un modo anormalmente rápido. La razón para esto es que los iones de haces energéticos tienen...

1. Un aparato (300) para generar un campo magnético con topología invertida en campo, dentro de una cámara, para contener magnéticamente iones de plasma dentro de la cámara, y un campo electrostático dentro de la cámara, con el fin de contener electrostáticamente electrones de plasma en el interior de la cámara, que comprende

2. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la pluralidad de bobinas de campo incluye una pluralidad de bobinas de espejo (330) para aumentar la intensidad del campo magnético creado por la pluralidad de bobinas de campo y definir una región de contención entre medias.

3. El aparato de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, en el cual el generador de campo magnético está situado externamente a la cámara.

4. El aparato de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, en el cual el generador de campo magnético está situado dentro de la cámara.

5. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el generador de campo magnético es susceptible de sintonizarse para ajustar la magnitud del campo electrostático dentro de la cámara.

6. El aparato de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende adicionalmente un sistema de control acoplado al generador de campo magnético.

7. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la cámara tiene una sección transversal de forma anular.

8. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la fuente de plasma comprende una pluralidad de cañones de plasma de fondo orientados para inyectar un plasma de fondo a lo largo del eje longitudinal de la cámara, en dirección a un plano medio de la cámara.

9. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual la pluralidad de bobinas de campo comprende unas primera y segunda bobinas de espejo situadas adyacentes a los extremos opuestos de la bobina de flujo para incrementar la magnitud del campo magnético generado por el generador de campo magnético en posiciones adyacentes a los primer y segundo extremos de la bobina de flujo.

10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los inyectores de haces de iones son adecuados para inyectar haces de iones en la cámara, en una dirección perpendicular a las líneas de campo del flujo que se extiende axialmente y perteneciente al campo magnético aplicado.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual los inyectores de haces de iones incluyen un generador de campo magnético situado a lo largo del camino de los haces de iones, que polariza eléctricamente los haces de iones polarizados al hacer que los iones y los electrones de los haces de iones neutralizados se separen.

12. Un método para generar un campo magnético con topología invertida en campo, dentro de una cámara cilíndrica (310), a fin de contener magnéticamente iones de plasma y contener electrostáticamente electrones de plasma dentro de la cámara, de manera que el método comprende las etapas de:

13. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende adicionalmente la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma dentro de la cámara debido a las fuerzas electromagnéticas ejercidas sobre la pluralidad de iones de plasma por el campo magnético de FRC, así como una pluralidad de electrones de plasma dentro de la cámara, en un pozo de energía potencial electrostática del campo electrostático, debido a las fuerzas electrostáticas ejercidas sobre la pluralidad de electrones del plasma por el campo electrostático.

14. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual el campo magnético de FRC contiene la pluralidad de iones del plasma dentro de la cámara durante un periodo de tiempo que es mayor que el tiempo de quemado de plasma.

15. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma incluye hacer que la pluralidad de iones del plasma orbiten dentro de la cámara en órbitas de betatrón debido a las fuerzas electromagnéticas ejercidas sobre la pluralidad de iones del plasma por el campo magnético de FRC, de tal manera que el radio orbital de las órbitas de betatrón supera las longitudes de onda de las fluctuaciones que causan el transporte anómalo.

16. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma incluye hacer que la pluralidad de iones del plasma orbiten dentro de la cámara debido a las fuerzas de Lorentz ejercidas por el campo magnético de FRC que actúa sobre la pluralidad de iones del plasma.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 13, en el cual la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma incluye provocar la rotación del plasma e inyectar el haz de iones en una dirección tal, que la órbita de la pluralidad de iones del plasma se encuentre en una dirección diamagnética.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 17, en el cual la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma incluye adicionalmente dirigir órbitas de arrastre de una pluralidad de iones en la dirección diamagnética como consecuencia de una fuerza electrostática ejercida por el campo electrostático.

19. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, en el cual el plasma comprende especies de iones combustibles no neutrónicas.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende adicionalmente la etapa de ajustar la magnitud del campo magnético aplicado para ajustar la magnitud del campo electrostático.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende adicionalmente la etapa de

inyectar haces de iones en el campo magnético aplicado y en el plasma situado dentro de la cámara, causando la formación de un plasma en rotación dentro de la cámara y de un campo magnético poloidal en torno al plasma en rotación, de tal manera que el campo eléctrico azimutal, una vez generado, aplica una fuerza al plasma en rotación para aumentar la velocidad de rotación del plasma en rotación hasta una velocidad para la que la magnitud del campo magnético poloidal alrededor del plasma en rotación, supera la magnitud del campo magnético aplicado, con lo que se forma un campo magnético combinado que tiene una topología de configuración invertida en campo.

22. El método de acuerdo con las reivindicaciones 12 y 21, en el cual la etapa de generar el campo magnético aplicado incluye excitar energéticamente la pluralidad de bobinas de campo del generador de campo magnético.

23. El método de acuerdo con las reivindicaciones 12 y 21, en el cual los haces de iones son inyectados transversalmente al campo magnético aplicado.

24. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 23, que comprende adicionalmente la etapa de aumentar la magnitud del campo magnético aplicado para mantener el plasma en rotación con un tamaño radial menor que el tamaño radial de la cámara.

25. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 24, que comprende adicionalmente la etapa de aumentar la velocidad de cambio de la corriente a través de la bobina de flujo para acelerar el haz de plasma en rotación hasta una energía de rotación de grado de fusión.

26. El método de acuerdo con la reivindicación 25, que comprende adicionalmente las etapas de inyectar haces de iones con energía de grado de fusión en el campo magnético de FRC y atrapar o capturar los haces en órbitas de betatrón en el seno del campo magnético de FRC.

27. El método de acuerdo con la reivindicación 26, en el cual la etapa de inyectar los haces de iones comprende adicionalmente las etapas de

añadir electrones de neutralización de carga a los haces de iones, y

dirigir los haces de iones neutralizados a través de un campo magnético para polarizar eléctricamente los haces de iones,

drenar la polarización eléctrica de los haces de iones neutralizados inyectados, a medida que los haces de iones neutralizados inyectados se encuentran con el plasma en el interior de la cámara, y de tal manera que el campo magnético aplicado o el campo magnético de FRC ejerce fuerzas de Lorentz sobre los haces de iones neutralizados inyectados que curvan los haces de iones en órbitas de betatrón.