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

Un método para confinar un plasma (335) que comprende una pluralidad de iones y electrones,

el método que comprende:

aplicar un campo magnético dentro de una estructura de contención (310), inyectando haces de iones neutralizados con electrones dentro de dicha estructura de contención (310),

confinar magnéticamente dicha pluralidad de iones de plasma dentro de dicha estructura de confinamiento (310) utilizando un campo magnético de FRC (configuración invertida en campo), caracterizado por que además comprende las etapas de generar un pozo de energía potencial el ectroestática dentro del plasma (335) a una magnitud de pozo dependiente de la magnitud del campo magnético de dicho campo magnético aplicado y de la velocidad de los haces de iones inyectados, por lo que dicho pozo potencial electroestático es inducido por el excedente de cargas positivas creadas cuando la fuerza de Lorentz, generada por el plasma que rota en dicho campo magnético de FRC lleva a la mayoría de los el ectrodos energéticos a abandonar el plasma,

confinar electroestáticamente una pluralidad de electrones de plasma restantes dentro de dicho pozo de energía potencial el ectroestática formada dentro de la estructura de confinamiento (310); y

adaptar el campo electroestático de dicho pozo de energía potencial electroestática ajustando una magnitud de dicho campo magnético aplicado.

Confinamiento magnético y electroestático de plasma en una configuración invertida en campo Esta invención se ha llevado a cabo con el apoyo del Gobierno, bajo el Contrato Nº N0001499-1-0857, 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:

D + D He3 (0, 8 MeV) + n (2, 5 MeV) , D + T (3, 6 MeV) + n (14, 1 MeV) , D + He3 (3, 7 MeV) + p (14, 7 MeV) , y p + B11 3 (8, 7 MeV) , donde D indica deuterio, T indica tritio, 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 a2/ , donde ai es el giro-radio o radio de giro iónico [radio del movimiento circular de c iie una partícula cargada en el seno de un campo magnético uniforme] y 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 2

longitud de onda corta, es D 1/16a , donde j es la giro-frecuencia o frecuencia de B jj

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, D /D 1/16 108 , el transporte

B C jje 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 t 1000r2/D . Una de las concepciones de reactor nuclear ya existentes es Bel 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, t r2/D , es posible, en cuyo C

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 publicación 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 grandes radios de giro y, por tanto, son insensibles a las fluctuaciones con longitudes de ondas más cortas que el radio de giro iónico ( < ai) . Las fluctuaciones en la longitud de onda corta tienden a promediarse sobre un ciclo y, de esta forma, cancelarse. Los electrones, sin embargo, tienen radios de giro mucho más pequeños, de manera que responden a las fluctuaciones y se transportan de forma anómala.

Como consecuencia del transporte anómalo, la dimensión mínima del plasma debe ser de al menos 2, 8 metros. Debido a esta dimensión, el ITER se creó de 30 de metros de alto y 30 metros de diámetro. Se... [Seguir leyendo]

1. Un método para confinar un plasma (335) que comprende una pluralidad de iones y electrones, el método que comprende:

aplicar un campo magnético dentro de una estructura de contención (310) , inyectando haces de iones neutralizados con electrones dentro de dicha estructura de contención (310) , confinar magnéticamente dicha pluralidad de iones de plasma dentro de dicha estructura de confinamiento (310) utilizando un campo magnético de FRC (configuración invertida en campo) , caracterizado por que además comprende las etapas de generar un pozo de energía potencial electroestática dentro del plasma (335) a una magnitud de pozo dependiente de la magnitud del campo magnético de dicho campo magnético aplicado y de la velocidad de los haces de iones inyectados, por lo que dicho pozo potencial electroestático es inducido por el excedente de cargas positivas creadas cuando la fuerza de Lorentz, generada por el plasma que rota en dicho campo magnético de FRC lleva a la mayoría de los electrodos energéticos a abandonar el plasma, confinar electroestáticamente una pluralidad de electrones de plasma restantes dentro de dicho pozo de energía potencial electroestática formada dentro de la estructura de confinamiento (310) ; y adaptar el campo electroestático de dicho pozo de energía potencial electroestática ajustando una magnitud de dicho campo magnético aplicado

2. El método de la reivindicación 1, en el que el campo magnético de FRC (configuración invertida en campo) está formada por la inyección de haces de iones transversales a un campo magnético aplicado dentro de un plasma de fondo.

3. Un método como se reivindica en la reivindicación 2, que comprende además:

generar un campo propio magnético poloidal alrededor del plasma (335) de haces en rotación, e incrementar la velocidad rotacional del plasma de haces en rotación para incrementar la magnitud del campo propio magnético más allá de la magnitud del campo magnético aplicado, originando la inversión interna del campo al plasma de haces en rotación y la formación de la FRC.

4. El método de la reivindicación 3, en el que la velocidad rotacional del plasma de los haces en rotación, se incrementa por la corriente circulante a través de una bobina de flujo de betatrón (320) dentro de la estructura de confinamiento que induce un campo eléctrico acimutal dentro de la estructura de confinamiento.

5. El método de la reivindicación 2, que comprende además:

energizar (excitar energéticamente) una pluralidad de bobinas de campo (325) que se extienden alrededor de la cámara del reactor.

6. El método de la reivindicación 5, que comprende además las etapas de incrementar la tasa o velocidad de cambio de la corriente a través de la bobina de flujo (320) para acelerar el haz de plasma (335) en rotación a una energía rotacional del nivel de fusión.

7. El método de la reivindicación 3, que comprende además las etapas de

inyectar haces de energía del nivel de fusión dentro de la FRC y atrapar los haces en órbitas de betatrón dentro de la FRC, y/o neutralizar los haces de iones, drenar la polarización eléctrica de los haces de iones neutralizados; y ejercer una fuerza de Lorentz debido al campo magnético aplicado en los haces de iones neutralizados para curvar los haces de iones dentro de las órbitas de betatrón.

8. El método de la reivindicación 1, en el que la etapa de confinar una pluralidad de iones de plasma incluye contener los iones dentro de la estructura de confinamiento durante un periodo de tiempo mayor que un tiempo de combustión de plasma.

9. El método de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:

orbitar los iones dentro de la FRC en órbitas de betatrón de gran radio, en el que el radio de órbita de las órbitas de betatrón excede las longitudes de onda de transporte anómalo, originando fluctuaciones.

10. El método de la reivindicación 1, que comprende además las etapas de generar un campo magnético aplicado dentro de la estructura de confinamiento, y rotar el plasma y generar una corriente para formar un campo propio magnético que rodee el plasma.

11. El método de la reivindicación 3, que comprende además la etapa de:

crear un campo eléctrico acimutal dentro de la estructura de confinamiento que incluye la etapa de acoplar el campo eléctrico acimutal a los iones y electrones del plasma y ejercer fuerzas ponderomotrices sobre los iones y electrones del plasma.

12. El método de la reivindicación 1, en el que el plasma comprende al menos dos diferentes especies de iones, o el plasma comprende un combustible avanzado que comprende reactantes que producen partículas cargadas como productos de fusión, o el plasma comprende D-He3 y p-B11 como reactantes.