¿Por qué un reactor de fusión nuclear de tipo estelarator tiene una forma tan extraña?

Question

Mi primera impresión: Es un desastre.

¿Por qué tiene esa forma? No puedo encontrar información sobre su forma más allá de que es un arreglo especial de bobinas magnéticas.

Answer 1

Supongamos que empiezas con un solenoide lineal. Debido a la fuerza de Lorentz, las partículas cargadas viajan en círculos (o hélices) dentro del solenoide, por lo que no pueden alcanzar las paredes del solenoide. Pero obviamente el problema es que se escaparán por los extremos.

Ahora curvamos el solenoide y unimos sus extremos para hacer un toro, de modo que las partículas ya no pueden escapar por los extremos. El problema es que al doblar el solenoide originalmente recto hemos reducido el espacio entre las vueltas del alambre en el interior en comparación con el exterior, y como resultado, el campo magnético dentro del solenoide es mayor en el interior que en el exterior. Esto significa que las partículas cargadas ya no se moverán en círculos, sino que se espiralarán hacia la pared exterior hasta alcanzarla.

Un stellarator resuelve esto al hacer deliberadamente desigual el campo dentro del stellarator, pero luego gira la desigualdad alrededor del anillo. Así, en un punto del anillo las partículas cargadas tienden a derivar hacia el exterior, pero un poco más adelante en el anillo tienden a derivar hacia el interior. Si logras que las partículas se muevan alrededor del anillo, esta desigualdad se cancela y en promedio las partículas se mantienen en el centro del anillo.

Si observas la imagen de un stellarator en Wikipedia:

podrás ver cómo cada bobina está ligeramente girada en comparación con las que están inmediatamente antes y después.

Esta parece ser una idea sencilla, pero contener plasma hace que pastorear gatos parezca fácil porque el plasma genera sus propios campos a medida que fluye y estos interactúan con los campos del stellarator de formas complicadas y no lineales. Hacer que la idea funcione en la práctica requiere un diseño con la temible complejidad mostrada en tu imagen.