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El Stellarator
Wendelstein 7-X
17 de diciembre de 2015
¡Ya está! Los alemanes, después de 19 largos años, han terminado de montar este verdadero infierno tecnológico que es un stellarator. A principios de diciembre, esta máquina produjo su primer plasma, décadas antes que ITER. Por supuesto, las personas que consultan mi sitio web me han bombardeado con preguntas sobre esta máquina.
Se necesitaron 19 años para que este proyecto viera la luz y un millón de horas de trabajo. Cuenta con 20 bobinas planas y 50 bobinas no planas. ¿Por qué esta diferencia? Cuando se quiere crear un campo magnético en estas bobinas, hay que hacer circular una corriente muy intensa que puede alcanzar doce mil amperios. Sin embargo, cuando se hace pasar una corriente intensa a través de una bobina, esta se ve sometida a fuerzas centrífugas que tienden a darle una forma circular. En caso de que estas fuerzas sean muy intensas, pueden provocar la ruptura de la bobina. La geometría de la cámara del stellarator alemán es muy complicada.
por lo tanto, fue necesario prever bobinas de formas no solo circulares, sino también torcidas:
¿Por qué una geometría tan complicada? Si usted ve las 5 videos que he instalado en YouTube, los principios directores de los Tokamaks se presentan. Parten de una idea que viene del frío, debido a Andrei Sakharov y Artsimovitch. Si equipamos una cámara toroidal con bobinas circulares, regularmente dispuestas, el campo magnético será más intenso cerca del eje de la máquina, donde las bobinas están más cercanas entre sí. Los plasmas tienden a moverse hacia las regiones donde el campo es mínimo, por lo que el campo magnético tenderá a expulsar el plasma hacia el exterior. El Tokamak representa una primera solución. Mediante un solenoide dispuesto a lo largo del eje de la máquina, que crea un campo que aumenta lentamente (que alcanzará 13 teslas en ITER), el cual baña la cámara de prueba, se genera una corriente inducida que se cierra circularmente en el plasma. Esta corriente crea a su vez un campo, llamado poloidal, que se combina con el campo creado por las bobinas que rodean la cámara. Al final, las líneas de campo adquieren una forma espiralada.
Como las partículas cargadas tienden a espirarse alrededor de las líneas del campo magnético, seguirán estas líneas. Esto permitirá mantener el plasma en el centro de la cámara. La otra solución, propuesta por el estadounidense Lyman Spitzer en la década de 1950, consiste en lo que él llamó un Stellarator. La máquina Wendelstein X-7 es un Stellarator:
En amarillo, la cámara de la máquina, en azul, las muchas bobinas. Durante su diseño, el Stellarator alemán fue objeto de numerosos cálculos en ordenador para optimizar la forma de su cámara así como el diseño de sus bobinas. Todo esto requirió un gran trabajo y un millón de horas de trabajo.
¿Por qué elegir el Stellarator en lugar del Tokamak? En el Tokamak (y en ITER) el principal problema es la posibilidad de que se produzcan interrupciones. En el interior de la cámara, el "corriente de plasma" (15 millones de amperios para ITER) puede representarse de manera imaginativa como una serpiente que se muerde la cola. Muy esquemáticamente, una interrupción puede compararse con la ruptura de la forma en que este corriente se enrolla. Entonces, la serpiente suelta su cola y se va "a morder la pared". En ITER, esta "mordida" se estima en 11 millones de amperios.
La causa: turbulencia MHD. Peor aún: esta distorsión del campo magnético va acompañada de gradientes que son tantas zonas acelerando las partículas cargadas: esencialmente los electrones. Estos adquieren velocidades relativistas, cercanas a la velocidad de la luz, y adquieren energías muy importantes. A partir de cierta velocidad, prácticamente dejan de interactuar con los iones. Se les llama entonces electrones desconectados. Pero por "efecto de avalancha" aceleran a otros electrones. Hay un efecto multiplicativo, considerable en ITER.
En un Stellarator, estos fenómenos no existen. Esto no quiere decir que otras inestabilidades no puedan manifestarse. Solo la experimentación proporcionará la respuesta a esta cuestión. Desde hace medio siglo, las máquinas de plasma han reservado demasiadas sorpresas malas para que no sea indispensable avanzar progresivamente.
La máquina alemana tiene un sistema de magnetización donde la intensidad del campo alcanza 3 teslas. El sistema de calentamiento por microondas está previsto para funcionar durante 10 a 50 segundos. Un sistema de inyección de neutros representa un aporte de energía de una potencia de 8 MW. Con este dispositivo, los investigadores esperan llevar el plasma, en la cámara, con una densidad de 3 1020 núcleos por metro cúbico a una temperatura de 60 a 120 millones de grados.
El Stellarator alemán no permitirá obtener un plasma de fusión "autónomo", donde la energía proveniente de la fusión sea suficiente para mantener la temperatura del plasma a un nivel suficiente. Con estas diferentes máquinas se intenta encender el "fuego nuclear". Puede compararse con un intento de encender "madera un poco húmeda" con trozos de caja o un "encendedor". Mientras que esta madera húmeda quema, participa en el proceso exoenergético. Cuando los fragmentos de madera seca, o el encendedor, se consumen, dos casos. O bien la combustión de la madera húmeda libera suficiente calor para que este fuego se mantenga por sí mismo, o esta energía liberada será insuficiente y este fuego se apagará y tendrás que comenzar de nuevo con un nuevo encendedor.
Ninguna máquina de plasma en el mundo ha podido crear hasta ahora condiciones tan extremas. La más eficiente: el JET permitió elevar el coeficiente Q = energía inyectada/energía producida a un valor de 0,6. El objetivo de ITER era obtener un coeficiente superior a la unidad. En el camino, no tenemos ninguna idea sobre cómo se comportaría un plasma de fusión autoalimentado de repente. Como en todo lo relacionado con estas cuestiones, es muy difícil hacer predicciones teóricas.
El Stellarator alemán representó un costo proporcional a su complejidad. Creo que los gastos ascienden a mil millones de euros. Pero es un proyecto que ha llegado a la madurez. La máquina fue construida, sus dispositivos de magnetización están operativos y a principios de diciembre, los investigadores obtuvieron su primer plasma. El siguiente paso consistirá en aumentar el aporte de energía, negociado, como en los tokamaks, mediante microondas e inyección de neutros. Estas son técnicas que están dominadas. La primera pregunta es: "¿Esta máquina responde a las expectativas en cuanto al confinamiento de su plasma?". Parece que se ha obtenido una respuesta positiva inicial.
¿Representa el Stellarator una solución en cuanto a la producción de energía por fusión? Es aún demasiado pronto para decirlo. Pero su costo sigue siendo 16 veces inferior al de ITER. La máquina tiene una gran ventaja sobre este proyecto faraónico: funciona, y los investigadores no tienen que temer que sea inmediatamente dañada por una interrupción, lo cual no es el caso de ITER.
Este riesgo perjudica gravemente este último proyecto. Si se mira cómo está diseñado ITER, cualquier reemplazo de componente puede constituir un problema intratable. Los componentes que representan la objetivo favorito de estas interrupciones son...