Un stellarator (del latín: stella, "estrella" y el inglés: generator, "generador") es un dispositivo de energía de fusión que confina el plasma mediante imanes externos. Es uno de los muchos tipos de dispositivos de fusión de confinamiento magnético y uno de los primeros que se inventaron. Es uno de los primeros dispositivos de energía de fusión diseñados por el ser humano.
El stellarator fue inventado por el científico estadounidense Lyman Spitzer Jr. en 1951. Gran parte de su desarrollo inicial corrió a cargo del equipo de Spitzer en lo que más tarde se convertiría en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton. El modelo A de Spitzer entró en funcionamiento en 1953 y demostró la capacidad de confinamiento del plasma. Después hubo modelos más grandes, pero estos mostraron un rendimiento deficiente, con pérdidas de plasma a tasas que excedían las predicciones teóricas. A principios de la década de 1960, el foco volvió a la física teórica. A mediados de la década de 1960, Spitzer estaba convencido de que el stellarator igualaba la tasa de difusión de Bohm, lo que apuntaba a que nunca sería un dispositivo de fusión práctico.
El diseño del tokamak de la URSS auguraba un gran avance en cuanto a rendimiento. El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton transformó el stellarator modelo C en el tokamak simétrico para comprobar sus resultados, y logró superarlos. En Estados Unidos, los trabajos con los stellarator a gran escala fueron sustituidos por los tokamak. La investigación continuó en Alemania y Japón, abordando muchos de los problemas iniciales, y comenzó a acercarse al rendimiento de los primeros tokamak.
A largo plazo, se comprobó que el tokamak presentaba problemas similares a los de los stellarator (aunque por distintos motivos). A partir de la década de 1990, se reavivó el interés por los stellarator. Las nuevas técnicas permitieron aumentar la calidad y la intensidad del campo magnético, lo que mejoró su rendimiento.
Historia Trabajo previo En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck y Ernest Rutherford fueron los primeros en provocar una fusión, utilizando un acelerador de partículas para lanzar núcleos de deuterio contra una lámina metálica que contenía deuterio, litio u otros elementos. Estos experimentos les permitieron medir la sección eficaz nuclear de diversas reacciones de fusión entre núcleos. Determinaron que la reacción tritio-deuterio se producía a una energía inferior a la de cualquier otro combustible, alcanzando un máximo de unos 100 000 electronvoltios (100 keV).Mediante estudios más detallados durante la década de 1970, se redujo este valor hasta unos 70 keV.
100 keV corresponden a una temperatura aproximada de un millardo de Kelvin. Tal y como describe la estadística de Maxwell-Boltzmann, una cisterna de gas a una temperatura mucho más baja seguirá conteniendo algunas partículas con estas energías. Dado que las reacciones de fusión liberan tanta energía, incluso un pequeño número de estas reacciones puede liberar la energía suficiente para mantener el gas a la temperatura requerida. En 1944, Enrico Fermi demostró que esto ocurriría a una temperatura del gas de unos 50 millones de grados Celsius, dentro del rango de los sistemas experimentales existentes. El problema clave era confinar el plasma; ningún recipiente material podía soportar esas temperaturas. Sin embargo, los plasmas son conductores de electricidad, lo que los somete a campos eléctricos y magnéticos.
En un campo magnético, los electrones y los núcleos del plasma giran alrededor de las líneas de fuerza magnéticas. Una forma de confinamiento consiste en colocar un tubo de combustible dentro del núcleo abierto de un solenoide. Un solenoide crea líneas magnéticas que discurren por su centro, y el combustible se mantendría alejado de las paredes al orbitar alrededor de estas líneas de fuerza. Pero esta disposición no confina el plasma a lo largo del tubo. La solución obvia es doblar el tubo para darle forma de toro (rosquilla), de modo que cualquier línea forme un círculo y las partículas puedan girar indefinidamente.
Sin embargo, por razones puramente geométricas, los imanes que rodean el toro están más próximos entre sí en la curva interior, dentro del «agujero del donut». Fermi señaló que esto provocaría que los electrones se alejaran de los núcleos, lo que acabaría generando grandes tensiones. El campo eléctrico resultante haría que el anillo de plasma del interior del toro se expandiera hasta chocar contra las paredes del reactor.
Stellarator Tras la Segunda Guerra Mundial, los investigadores comenzaron a estudiar formas de confinar el plasma. George Paget Thomson, del Imperial College de Londres, propuso un sistema conocido hoy como que consiste en hacer pasar una corriente a través del plasma. Debido a la fuerza de Lorentz, esta corriente genera un campo magnético que atrae el plasma hacia sí mismo, manteniéndolo alejado de las paredes. Esto elimina la necesidad de imanes externos, evitando así el problema de Fermi. A finales de la década de 1940, varios equipos de Reino Unido construyeron una serie de pequeños dispositivos experimentales utilizando esta técnica.
Ronald Richter fue un científico alemán que emigró a Argentina. Su «termotrón» utilizaba arcos eléctricos y compresión mecánica (ondas sonoras) para el calentamiento y el confinamiento. Convenció a Juan Perón para que financiara el desarrollo de un reactor experimental. Conocido como el proyecto Huemul, este se completó en 1951. Richter se convenció a sí mismo de que se había logrado la fusión, a pesar de las discrepancias con otros investigadores.
Mientras se preparaba para un viaje de esquí a Aspen, Spitzer recibió una llamada telefónica de su padre, quien le habló de un artículo sobre el proyecto Huemul publicado en el New York Times. Spitzer entendió que aquello no funcionaría porque el sistema no podía proporcionar suficiente energía. Entonces empezó a barajar alternativas, y se le ocurrió la idea del stellarator mientras subía en un telesilla.
Su enfoque consistió en modificar la disposición geométrica del toro para dar respuesta a las inquietudes de Fermi. Al girar un extremo del toro con respecto al otro, formando una disposición en forma de 8 en lugar de un círculo, las líneas magnéticas se acercaban y se alejaban del centro del toro. Una partícula que orbita alrededor de estas líneas se desplaza constantemente hacia dentro y hacia fuera a lo largo del eje menor del toro, desplazándose hacia arriba durante la mitad de una órbita e invirtiendo el sentido en la otra. Esta cancelación, que no es perfecta, parecía una forma de atrapar el combustible hasta que alcanzara las temperaturas requeridas.
Proyecto Matterhorn Un laboratorio de investigación secreto de la Universidad de Princeton continuó con los trabajos teóricos sobre las bombas de hidrógeno a partir de 1951. Spitzer fue invitado a participar en este programa, dada su investigación previa sobre los plasmas interestelares.
Spitzer perdió entonces interés en el diseño de bombas y centró su atención en la fusión como fuente de energía. Spitzer elaboró una serie de informes en los que esbozaba las bases conceptuales del stellarator, así como los posibles problemas. La serie destaca por su profundidad; incluía un análisis detallado de las matemáticas del plasma y la estabilidad, junto con el calentamiento del plasma y el tratamiento de las impurezas.
Spitzer comenzó a presionar a la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) para obtener financiación. Su plan constaba de tres fases, cada una de las cuales dependía del éxito de la fase anterior a lo largo de una década:
El modelo A buscaba demostrar que se podía crear plasma y que su tiempo de confinamiento era mejor que el de un toro. El modelo B calentaría el plasma hasta temperaturas de fusión. El modelo C intentaría crear reacciones de fusión a gran escala.
Por aquella misma época, Jim Tuck había conocido el concepto del «pinch» mientras trabajaba en el Laboratorio Clarendon de la Universidad de Oxford. Finalmente acabó en Los Álamos, donde dio a conocer el concepto al resto de investigadores. Cuando se enteró de que Spitzer estaba promoviendo el stellarator, viajó a Washington para proponer la construcción de un dispositivo de tipo «pinch». Consideraba que los planes de Spitzer eran «increíblemente ambiciosos». Sin embargo, a Spitzer se le concedieron 50 000 dólares, mientras que Tuck no recibió nada.
Spitzer, un ávido alpinista, propuso el nombre de «Proyecto Matterhorn» porque consideraba que «el trabajo que tenían entre manos parecía difícil, como el ascenso a una montaña». Inicialmente se crearon dos secciones: la sección S, que trabajaba en el stellarator bajo la dirección de Spitzer, y la sección B, que trabajaba en el diseño de la bomba bajo la dirección de Wheeler. Spitzer estableció la sección S, de alto secreto, en una antigua conejera.
Los demás laboratorios comenzaron entonces a presionar para obtener su propia financiación. Tuck logró conseguir algo de financiación para su Perhapsatron a través de algunos presupuestos discrecionales del LANL, pero otros equipos del LANL, Berkeley y Oak Ridge (ORNL) también buscaban fondos. La AEC acabó organizando el proyecto Sherwood, un nuevo departamento para estos proyectos.
Primeros dispositivos Spitzer invitó a James van Allen a unirse al grupo y a poner en marcha un programa experimental. Allen sugirió comenzar con un dispositivo de mesa. Esto dio lugar al diseño del modelo A, cuya construcción comenzó en 1952. Estaba fabricado con tubos de pyrex de 5 cm y una longitud total de unos 350 cm, y con imanes capaces de generar unos 1000 Gauss. La máquina entró en funcionamiento a principios de 1953 y demostró claramente una mejora en el confinamiento con respecto al simple toro.
Esto condujo al Modelo B, cuyos imanes no estaban bien montados y tendían a moverse cuando se alimentaban a 50 000 Gauss. Un segundo diseño fracasó por la misma razón, pero esta máquina generó rayos X de varios cientos de kilovoltios, lo que sugería un buen confinamiento.
A continuación vino el B-1, que utilizaba calentamiento óhmico para alcanzar unos 100 000 grados. Esta máquina demostró que las impurezas en el plasma emitían rayos X de gran energía que enfriaban el plasma. En 1956, el B-1 se reconstruyó con un sistema de vacío ultraalto para reducir las impurezas, pero se descubrió que, incluso en cantidades menores, seguían siendo problemáticas. Otro efecto fue que, durante el proceso de calentamiento, las partículas permanecían confinadas solo durante unas décimas de milisegundo, mientras que, una vez apagado el campo, las partículas restantes permanecían confinadas hasta 10 milisegundos. Esto parecía deberse a «efectos cooperativos» dentro del plasma.
El B-2 era similar al B-1, pero utilizaba energía pulsada para alcanzar una mayor energía magnética e incluía un segundo sistema de calentamiento conocido como «bombeo magnético». Esta máquina se modificó para añadir un sistema de vacío ultraalto. Desafortunadamente, el B-2 demostró un calentamiento escaso debido al bombeo magnético, dados los tiempos de confinamiento más largos que requería. Se exhibió en la exposición «Átomos para la Paz». Sin embargo, las modificaciones del sistema de calentamiento aumentaron el acoplamiento, demostrando temperaturas dentro de la sección de calentamiento de hasta 1000 eV, alrededor de 12 millones de K.Es decir, que una zona puntual se alcanzaba esa temperatura, pero la temperatura media del plasma no era tan alta.