¿Cuáles son las dificultades de controlar el plasma con campos magnéticos en un reactor nuclear de fusión?

Answer 1

Solo para agregar estos problemas:

1) El plasma lo hace propio campo magnético . Es una sopa móvil de (+) y (-) marcial. Toda carga en movimiento forma un campo magnético. Esto puede lastimarte o ayudarte . Puede doler al “resistir” el campo exterior. Esto sucede en sistemas donde los campos magnéticos y el plasma se mezclan (formando un plasma magnetizado ).

Puede ayudarlo cuando el plasma rechaza el exterior del campo, creando un plasma no magnetizado. Algunos ejemplos son configuraciones invertidas en campo o plasma confinado en cúspide [1].

2. El plasma magnetizado se dispersará. El plasma que se mueve alrededor de los tokamaks choca entre sí. Las partículas son como corredores en una pista, se golpean entre sí y se empujan hacia el borde.

El Stellorator intenta superar este problema dispersando el material nuevamente en el centro (a través de su ‘forma retorcida).

2. El plasma magnetizado perderá más energía que la luz. Cada vez que una partícula (+) o (-) se ralentiza o acelera, pierde energía como luz. Los cambios de velocidad pueden ser causados ​​por:

A. (+) y (+) interacciones de partículas (radiación de Bremsstrahlung)

B. (-) y (-) interacciones de partículas (radiación de Bremsstrahlung)

C. (+) y (-) interacciones de partículas (radiación de Bremsstrahlung)

D. Campo eléctrico e interacciones de partículas.

E. Interacciones de campo magnético y partículas (radiación de ciclotrón o sincrotrón)

Todos tratan de complicar este tema, ¡pero es todo lo mismo! El plasma está cambiando de velocidad y produce energía que abandona el plasma. Si hay un campo magnético, las pérdidas de radiación generalmente aumentan.

Fuentes:

1. [1406.0133] Confinamiento de electrones de alta energía en una configuración de cúspide magnética

Answer 2

Las partículas cargadas son empujadas por los campos magnéticos, por lo que puede empujar el plasma con un imán. Pero los campos magnéticos son causados ​​por corrientes eléctricas, y el plasma en movimiento es una corriente eléctrica. Entonces el imán mueve el plasma que mueve el campo magnético que mueve el plasma a otro lugar. Esto es notoriamente inestable y está sujeto a la turbulencia del plasma, algo así como el aire en movimiento tiende a degenerar en flujo turbulento.

Agregue a esto el hecho de que los electrones fluyen en direcciones opuestas a los iones positivos y son mucho más ligeros, por lo que fluyen a velocidades muy diferentes. Es un proceso súper complicado, imposible de analizar o incluso simular con precisión. Así que construimos en base a aproximaciones, conjeturas y luchando contra el último problema que entendemos. No sabemos cuántos problemas quedan después de solucionar este último.

Answer 3

Uno de mis profesores ha comparado el proceso de contener un plasma con campos magnéticos para envolver un trozo de gelatina con gomas elásticas. Es complicado. Puedo describir algunos de los problemas actuales con los tokamaks, pero hay varios tipos de reactores de fusión (estelaradores, FRC, etc.) y cada uno tiene fugas a su manera.

Para un tokamak, la geometría del sistema hace que las partículas se desplacen hacia afuera desde el centro del toro. Se crea un giro para hacer circular las partículas que están cerca de la pared exterior hacia la pared interior para que puedan salir nuevamente. La geometría circular del toro tanto alrededor del orificio central como alrededor de la sección transversal da como resultado dos periodicidades separadas que conducen a resonancias que conducen a inestabilidades. Algunas configuraciones estables son posibles y dependen de cuántos bucles típicamente realiza una partícula alrededor del toro a varias distancias del centro del toro. Esto es lo que conduce a las secciones transversales en forma de D y en forma de frijol de los diseños recientes de tokamak.

Las inestabilidades restantes (p. Ej., ELM) aún no se entienden lo suficientemente bien como para detenerlas por completo, pero se entienden lo suficientemente bien como para poder detectar que se desarrollan y controlarlas agregando aún más campos magnéticos en un tipo de retroalimentación activa en tiempo real de camino.

Gran parte de la discusión actual sobre el control del plasma en un reactor de fusión no se trata de los campos magnéticos. Se trata de los materiales utilizados para hacer las paredes del contenedor. Un metal con un alto punto de fusión puede parecer razonable, sin embargo, el plasma se enfría rápidamente con incluso un poco de contaminación de tales metales pesados. Los elementos más ligeros no enfrían el plasma tan rápidamente por la misma cantidad de contaminación, sin embargo, se funden o ingresan al plasma más fácilmente, de modo que la proporción de contaminación tiende a ser mayor. La investigación en esta área está en curso y ha resultado en modificaciones recientes al diseño de ITER (eliminando componentes de carbono a favor del tungsteno).

Si bien determinar los campos magnéticos apropiados es una tarea compleja, se ha descubierto que el problema de los materiales parece requerir más atención en este momento.

Answer 4

Ya hay dos muy buenas respuestas, aquí. Por lo tanto, simplemente agregaré una respuesta simple, intuitiva y superficial, y diré, “la segunda ley de la termodinámica”.

Esto dice que si tiene un objeto realmente muy caliente (el plasma) junto a un objeto frío (el entorno, sin mencionar los imanes superconductores que podría haber incluido), entonces la configuración será inestable, y querer volver a un estado de equilibrio más estable tan rápido como sea posible.

Entonces, realmente, mi respuesta es: “la configuración está en una posición realmente inestable”.