Tokamak

Camp magnètic i corrent d'un tokamak. Es mostra el camp toroidal i les bobines (blau) que el generen, el corrent del plasma (vermell), amb el seu camp poloidal (produït per ell), i el camp resultant quan hi ha superposició.

La paraula tokamak, acrònim del rus тороидальная камера с магнитными катушками - toroidàlnaia kàmera s magnitnimi katúixkami - (en català cambra toroidal amb bobines magnètiques), és un giny que té per objectiu obtenir la fusió de les partícules del plasma, cosa que generaria grans quantitats d'energia. En efecte, la reacció nuclear de fusió de dues partícules lleugeres en una partícula més estable de pes mitjà produeix una energia en relació amb l'equivalència d'Einstein:

$E={m}\cdot {c^{2}}$

Els avantatges de la fusió sobre la fissió (que s'utilitza avui en les centrals nuclears) són que no produeix residus radioactius directes i que no necessita un combustible no renovable i tan escàs com l'urani. En canvi, és molt més difícil d'iniciar. No s'ha arribat al punt d'equilibri entre l'energia que es necessita per accelerar i confinar el plasma i la que s'obté amb la fusió d'algunes partícules. No obstant això, no hi ha raons teòriques per aquest fet, sinó només raons tècniques, que el projecte internacional ITER haurà de resoldre.

El tokamak va ser creat la dècada del 1950 pels físics russos Ígor Tamm i Andrei Sàkharov, basant-se en les idees d'Oleg Lavréntiev.

Història

Interior d'un reactor de fusió Tokamak.

Un segell de la URSS, 1987: Sistema termonuclear Tokamak

Primers passos

En 1934, Mark Oliphant, Paul Harteck i Ernest Rutherford van ser els primers a aconseguir la fusió en la Terra, utilitzant un accelerador de partícules per a disparar nuclis de deuteri en una làmina metàl·lica que contenia deuteri o altres àtoms. Això els va permetre mesurar la secció transversal nuclear de diverses reaccions de fusió, i van determinar que la reacció deuteri-deuteri ocorria a una energia més baixa que altres reaccions, aconseguint un màxim d'uns 100.000 electronvolts (100 keV).

La fusió basada en un accelerador no és pràctica perquè la secció transversal del reactor és diminuta; la majoria de les partícules de l'accelerador es dispersaran del combustible, no es fusionaran amb ell. Aquestes dispersions fan que les partícules perdin energia fins al punt que ja no poden sotmetre's a la fusió. L'energia posada en aquestes partícules es perd així, i és fàcil demostrar que és molta més energia de la que poden alliberar les reaccions de fusió resultants.

Per a mantenir la fusió i produir energia neta, la major part del combustible ha d'elevar-se a altes temperatures perquè els seus àtoms xoquin constantment a gran velocitat; això dona lloc al nom de termonuclear a causa de les altes temperatures necessàries perquè es produeixi. En 1944, Enrico Fermi va calcular que la reacció seria autosostenible a uns 50.000.000 K; a aquesta temperatura, la velocitat a la qual es desprèn l'energia de les reaccions és prou alta per a escalfar el combustible circumdant amb la suficient rapidesa per a mantenir la temperatura contra les pèrdues en el medi ambient, continuant la reacció.

Durant el Projecte Manhattan, es va crear la primera forma pràctica d'aconseguir aquestes temperatures, utilitzant una bomba atòmica. En 1944, Fermi va donar una xerrada sobre la física de la fusió en el context d'una llavors hipotètica bomba d'hidrogen. No obstant això, ja s'havia pensat en un dispositiu de fusió controlat, i James L. Tuck i Stanisław Ulam l'havien intentat utilitzant càrregues conformades que impulsaven una làmina metàl·lica infosa amb deuteri, encara que sense èxit.

Els primers intents de construir una màquina de fusió pràctica van tenir lloc al Regne Unit, on George Paget Thomson havia seleccionat el pinçament com a tècnica prometedora en 1945. Després de diversos intents fallits d'obtenir finançament, es va donar per vençut i va demanar a dos estudiants de postgrau, Stanley (Stan) W. Cousins i Alan Alfred Ware (1924-2010), que construïssin un dispositiu amb equips de radar sobrants. Aquest dispositiu va ser operat amb èxit en 1948, però no va mostrar cap evidència clara de fusió i no va aconseguir guanyar l'interès de l'Establiment de Recerca d'Energia Atòmica.

Carta de Lavréntiev

En 1950, Oleg Lavréntiev, llavors sergent de l'Exèrcit Soviètic destinat a Sakhalín, va escriure una carta al Comitè Central del Partit Comunista de la Unió Soviètica. La carta esbossava la idea d'utilitzar una bomba atòmica per a encendre un combustible de fusió, i després passava a descriure un sistema que utilitzava camps electroestàtics per a contenir un plasma calent en estat estable per a la producció d'energia.

La carta va ser enviada a Andrei Sàkharov perquè la comentés. Sàkharov va assenyalar que "l'autor formula un problema molt important i no necessàriament irremeiable", i va considerar que la seva principal preocupació en la disposició era que el plasma colpegés els cables dels elèctrodes, i que "les malles amples i una part prima conductora de corrent que haurà de reflectir gairebé tots els nuclis incidents de tornada al reactor. Amb tota probabilitat, aquest requisit és incompatible amb la resistència mecànica del dispositiu".

Un indici de la importància que se li va donar a la carta de Lavréntiev pot veure's en la rapidesa amb la qual es va tramitar; la carta va ser rebuda pel Comitè Central el 29 de juliol, Sàkharov va enviar la seva revisió el 18 d'agost, a l'octubre, Sàkharov i Ígor Tamm havien completat el primer estudi detallat d'un reactor de fusió, i havien demanat finançament per a construir-lo el gener de 1951.

Confinament magnètic

Quan s'escalfa a temperatures de fusió, els electrons es dissocien dels àtoms, donant lloc a un fluid de nuclis i electrons conegut com a plasma. A diferència dels àtoms elèctricament neutres, un plasma és conductor de l'electricitat i, per tant, pot ser manipulat per camps elèctrics o magnètics.

La preocupació de Sàkharov pels elèctrodes ho va portar a considerar l'ús del confinament magnètic en lloc de l'electroestàtic. En el cas d'un camp magnètic, les partícules donaran voltes al voltant de les línies de força. Com les partícules es mouen a gran velocitat, les seves trajectòries resultants semblen una hèlix. Si es disposa un camp magnètic de manera que les línies de força siguin paral·leles i siguin pròximes, les partícules que orbiten les línies adjacents poden col·lidir i fusionar-se.

Un camp així pot crear-se en un solenoide, un cilindre amb imants embolicats en el seu exterior. Els camps combinats dels imants creen un conjunt de línies magnètiques paral·leles que recorren la longitud del cilindre. Aquesta disposició impedeix que les partícules es desplacin lateralment cap a la paret del cilindre, però no evita que surtin per l'extrem. La solució òbvia a aquest problema és doblegar el cilindre en forma de dònut, o toroide, de manera que les línies formin una sèrie d'anells continus. En aquesta disposició, les partícules donen voltes sense fi.

Sàkharov va discutir el concepte amb Ígor Tamm, i a la fi d'octubre de 1950 tots dos havien redactat una proposta i l'havien enviat a Ígor Kurtxàtov, director del projecte de la bomba atòmica a l'URSS, i al seu adjunt, Ígor Golovín. No obstant això, aquesta proposta inicial ignorava un problema fonamental; quan es disposen al llarg d'un solenoide recte, els imants externs estan uniformement espaiats, però quan es dobleguen en forma de toroide, estan més junts a l'interior de l'anell que en l'exterior. Això provoca forces desiguals que fan que les partícules s'allunyin de les seves línies magnètiques.

Durant les seves visites al Laboratori d'Instruments de mesura de l'Acadèmia de Ciències de l'URSS (LIPAN, antecessor de l'Institut Kurtxàtov), el centre de recerca nuclear soviètic, Sàkharov va suggerir dues possibles solucions a aquest problema. Una era suspendre un anell conductor de corrent en el centre del toro. El corrent en l'anell produiria un camp magnètic que es barrejaria amb el dels imants de l'exterior. El camp resultant es retorçaria en forma d'hèlix, de manera que qualsevol partícula es trobaria repetidament en l'exterior i després a l'interior del toro. Les derives causades pels camps desiguals es produeixen en direccions oposades a l'interior i en l'exterior, per la qual cosa en el transcurs de múltiples òrbites al voltant de l'eix llarg del toro, les derives oposades s'anul·larien. Com a alternativa, va suggerir utilitzar un imant extern per a induir un corrent en el propi plasma, en lloc d'un anell metàl·lic separat, la qual cosa tindria el mateix efecte.

El gener de 1951, Kurtxàtov va organitzar una reunió en el LIPAN per a estudiar els conceptes de Sàkharov. Van trobar un ampli interès i suport, i al febrer es va enviar un informe sobre el tema a Lavrenti Beria, que supervisava els esforços atòmics a l'URSS. Durant un temps, no es va rebre cap resposta.

Richter i el naixement de la recerca sobre la fusió

Ronald Richter (esquerra) amb Juan Domingo Perón (dreta). Les afirmacions de Richter van provocar la recerca de la fusió a tot el món.

El 25 de març de 1951, el president argentí Juan Perón va anunciar que un antic científic alemany, Ronald Richter, havia aconseguit produir fusió a escala de laboratori com a part del que avui es coneix com el Projecte Huemul. Científics de tot el món es van entusiasmar amb l'anunci, però aviat van arribar a la conclusió que no era cert; càlculs senzills van demostrar que el seu muntatge experimental no podia produir suficient energia per a escalfar el combustible de fusió a les temperatures necessàries.

Encara que els investigadors nuclears ho van descartar, l'àmplia cobertura de les notícies va fer que els polítics anessin sobtadament conscients i receptius a la recerca sobre la fusió. Al Regne Unit, Thomson va rebre de sobte un finançament considerable. En els mesos següents, es van posar en marxa dos projectes basats en el sistema de pessic. Als Estats Units, Lyman Spitzer va llegir la història de Huemul, es va adonar que era falsa i es va posar a dissenyar una màquina que funcionés. Al maig va rebre 50.000 dòlars per a començar a investigar el seu concepte de stellarator. Jim Tuck havia tornat breument al Regne Unit i va veure les màquines de pessic de Thomson. Quan va tornar a Los Alamos també va rebre 50.000 dòlars directament del pressupost dels Àlbers.

A l'URSS van ocórrer fets similars. A mitjan abril, Dmitri Efrémov, de l'Institut de Recerca Científica d'Aparells Electrofísics, va irrompre en l'estudi de Kurtxàtov amb una revista que contenia un article sobre el treball de Richter, exigint saber per què havien estat derrotats pels argentins. Kurtxàtov es va posar immediatament en contacte amb Beria per a proposar-li la creació d'un laboratori de recerca de la fusió independent amb Lev Artsimóvitx com a director. Només uns dies després, el 5 de maig, la proposta havia estat signada per Iósif Stalin.

Noves idees

Plasma vermell de l'EAST

A l'octubre, Sàkharov i Tamm havien completat una consideració molt més detallada de la seva proposta original, demanant un dispositiu amb un radi major (del toro en el seu conjunt) de 12 metres i un radi menor (l'interior del cilindre) de 2 metres. La proposta suggeria que el sistema podria produir 100 grams de triti al dia, o reproduir 10 quilograms d'U233 al dia.

A mesura que es desenvolupava la idea, es va veure que un corrent en el plasma podria crear un camp prou fort com per a confinar el plasma també, eliminant la necessitat dels imants externs. En aquest punt, els investigadors soviètics havien reinventat el sistema de pessic que s'estava desenvolupant al Regne Unit, encara que havien arribat a aquest disseny des d'un punt de partida molt diferent.

Una vegada que es va proposar la idea d'utilitzar l'efecte pessic per al confinament, es va fer evident una solució molt més senzilla. En lloc d'un gran toroide, es podia simplement induir el corrent en un tub lineal, que podia fer que el plasma a dins es col·lapsés fins a formar un filament. Això tenia un gran avantatge; el corrent en el plasma ho escalfaria a través de l'escalfament resistiu normal, però això no escalfaria el plasma a temperatures de fusió. Tanmateix, en col·lapsar el plasma, el procés adiabàtic faria que la temperatura augmentés dràsticament, més que suficient per a la fusió. Amb aquest desenvolupament, només Golovín i Natán Yavlinski van continuar considerant la disposició toroidal més estàtica.

Inestabilitat

El 4 de juliol de 1952, el grup de Nikolái Filíppov va mesurar l'alliberament de neutrons d'una màquina de pessic lineal. Lev Artsimóvitx els va exigir que ho comprovessin tot abans de concloure que s'havia produït la fusió, i durant aquestes comprovacions, van descobrir que els neutrons no procedien en absolut de la fusió. Aquesta mateixa disposició lineal també se'ls havia ocorregut als investigadors del Regne Unit i els Estats Units, i les seves màquines mostraven el mateix comportament. Però el gran secretisme que envoltava el tipus de recerca va fer que cap dels grups fos conscient que uns altres també estaven treballant en això, i molt menys que tenien el mateix problema.

Després de molts estudis, es va descobrir que alguns dels neutrons alliberats eren produïts per inestabilitats en el plasma. Hi havia dos tipus comuns d'inestabilitat, la salsitxa que es veia principalment en les màquines lineals, i la torçada que era més comuna en les màquines toroidals. Els grups dels tres països van començar a estudiar la formació d'aquestes inestabilitats i les possibles maneres d'abordar-les. Importants contribucions al camp van ser fetes per Martin David Kruskal i Martin Schwarzschild als EUA, i Vitali Shafránov a l'URSS.

Una idea que va sorgir d'aquests estudis es va conèixer com el "pessic estabilitzat". Aquest concepte afegia imants addicionals a l'exterior de la cambra, que creaven un camp que seria present en el plasma abans de la descàrrega del pessic. En la majoria dels conceptes, el camp extern era relativament feble, i com el plasma és diamagnètic, només penetrava en les zones exteriors del plasma. Quan es produïa la descàrrega de pessic i el plasma es contreia ràpidament, aquest camp es "congelava" en el filament resultant, creant un fort camp en les seves capes exteriors. Això es coneix com "donar al plasma una columna vertebral".

Sàkharov va revisar els seus conceptes toroidals originals i va arribar a una conclusió lleugerament diferent sobre com estabilitzar el plasma. La disposició seria la mateixa que la del concepte de pessic estabilitzat, però el paper dels dos camps s'invertiria. En lloc de camps externs febles que proporcionen l'estabilització i un fort corrent de pinçament responsable del confinament per pinçament, en la nova disposició, els imants externs serien molt més potents per a proporcionar la major part del confinament, mentre que el corrent seria molt més petita i responsable de l'efecte estabilitzador.

Passos cap a la desclassificació

Khrusxov (aproximadament al centre, el calb), Kurtxàtov (a la dreta, amb barba), i Bulganin (a la dreta, amb cabells blancs) van visitar Harwell el 26 d'abril de 1956. Cockcroft es troba enfront d'ells (amb ulleres), mentre un presentador assenyala les maquetes de diversos materials que s'estan provant en el recentment inaugurat reactor DIDO.

En 1955, amb les aproximacions lineals encara subjectes a inestabilitat, es va construir a l'URSS el primer dispositiu toroidal. El TMP era una màquina de pessic clàssica, similar als models del Regne Unit i els Estats Units de la mateixa època. La cambra de buit era de ceràmica, i els espectres de les descàrregues mostraven sílice, cosa que significava que el plasma no estava perfectament confinat pel camp magnètic i colpejava les parets de la cambra. Li van seguir dues màquines més petites, que utilitzaven peles de coure. Les peles conductores pretenien ajudar a estabilitzar el plasma, però no van tenir un èxit complet en cap de les màquines que el van provar.

Amb el progrés aparentment estancat, en 1955, Kurtxàtov va convocar una conferència d'investigadors soviètics de tota la Unió amb l'objectiu final d'obrir la recerca de la fusió dins de l'URSS. L'abril de 1956, Kurtxàtov va viatjar al Regne Unit com a part d'una visita àmpliament publicitada de Nikita Khrusxov i Nikolai Bulganin. Es va oferir a donar una xerrada en l'Establiment de Recerca de l'Energia Atòmica, en l'antiga RAF Harwell, on va sorprendre els amfitrions presentant una detallada visió històrica dels esforços de fusió soviètics. Es va prendre el temps d'assenyalar, en particular, els neutrons observats en les primeres màquines i va advertir que els neutrons no significaven fusió.

Sense que Kurtxàtov ho sabés, la màquina de pessic estabilitzat britànica ZETA s'estava construint en l'extrem de l'antiga pista. ZETA era, de bon tros, la major i més potent màquina de fusió fins a la data. Recolzat en experiments amb dissenys anteriors que havien estat modificats per a incloure l'estabilització, ZETA pretenia produir baixos nivells de reaccions de fusió. Aparentment, va ser un gran èxit, i el gener de 1958, van anunciar que la fusió s'havia aconseguit en ZETA basant-se en l'alliberament de neutrons i en els mesuraments de la temperatura del plasma.

Vitali Shafránov i Stanislav Braginski van examinar les notícies i van intentar esbrinar com funcionava. Una possibilitat que van considerar va ser l'ús de camps febles "congelats", però el van rebutjar, creient que els camps no durarien prou. Llavors van concloure que ZETA era essencialment idèntic als dispositius que havien estat estudiant, amb forts camps externs.

Primers tokamaks

Per a llavors, els investigadors soviètics havien decidit construir una màquina toroidal més gran seguint les línies suggerides per Sàkharov. En particular, en el seu disseny es va tenir en compte un punt important trobat en els treballs de Kruskal i Shafránov; si la trajectòria helicoidal de les partícules les feia circular al voltant de la circumferència del plasma més ràpidament del que circulaven per l'eix llarg del toro, se suprimiria fortament la inestabilitat de la curvatura.

Avui dia aquest concepte bàsic es coneix com a factor de seguretat. La relació entre el nombre de vegades que la partícula orbita l'eix major en comparació amb l'eix menor es denota q, i el Límit de Kruskal-Shafránov establia que el kink se suprimiria sempre que q > 1. Aquesta trajectòria està controlada per les forces relatives dels imants externs en comparació amb el camp creat pel corrent intern. Perquè q > 1, els imants externs han de ser molt més potents, o alternativament, el corrent intern ha de ser reduïda.

Seguint aquest criteri, es va començar a dissenyar un nou reactor, el T-1, que avui es coneix com el primer tokamak real. El T-1 utilitzava tant imants externs més potents com un corrent reduït en comparació amb les màquines de pessic estabilitzat com a ZETA. L'èxit del T-1 va fer que se'l reconegués com el primer tokamak en funcionament. Pels seus treballs sobre "les descàrregues de gran impuls en un gas, per a obtenir temperatures inusualment altes necessàries per als processos termonuclears", Yavlinski va rebre el Premi Lenin i el Premi Stalin en 1958. Yavlinski ja estava preparant el disseny d'un model encara major, que més tard es construiria com a T-3. Amb l'aparentment reeixit anunci de ZETA, el concepte de Yavlinski va ser vist molt favorablement.

Els detalls de ZETA es van fer públics en una sèrie d'articles en Nature a la fi de gener. Per a sorpresa de Shafránov, el sistema sí que utilitzava el concepte de camp "congelat". Va continuar sent escèptic, però un equip de l'Institut Físicotècnic Ioffe a Sant Petersburg va començar a planejar la construcció d'una màquina similar coneguda com Alpha. Només uns mesos més tard, al maig, l'equip de ZETA va emetre un comunicat en el qual afirmava que no havia aconseguit la fusió, i que havia estat enganyat per mesures errònies de la temperatura del plasma.

La T-1 va començar a funcionar a la fi de 1958. Va demostrar unes pèrdues d'energia molt elevades per radiació. Això es va atribuir a les impureses en el plasma a causa del sistema de buit que provocava la desgasificació dels materials del contenidor. Per a explorar solucions a aquest problema, es va construir un altre dispositiu petit, el T-2. Aquest va utilitzar un revestiment intern de metall corrugat que es va enfornar a 550 graus Celsius per a cuinar els gasos atrapats.

Àtoms per a la pau i la depressió

En el marc de la segona reunió d'Àtoms per a la Pau celebrada a Ginebra al setembre de 1958, la delegació soviètica va donar a conèixer nombrosos documents sobre les seves recerques en matèria de fusió. Entre ells hi havia un conjunt de resultats inicials sobre les seves màquines toroidals, que fins a aquest moment no havien mostrat gens important.

L'"estrella" de l'exposició era un model de gran grandària del stellarator de Spitzer, que immediatament va cridar l'atenció dels soviètics. A diferència dels seus dissenys, el stellarator produïa les trajectòries retorçades requerides en el plasma sense conduir un corrent a través d'ell, utilitzant una sèrie d'imants que podien operar en l'estat estacionari en lloc dels polsos del sistema d'inducció. Kurtxàtov va començar a demanar-li a Yavlinski que canviés el seu disseny T-3 per un stellarator, però el van convèncer que el corrent proporcionava una segona funció útil en l'escalfament, una cosa de la qual mancava el stellarator.

En el moment de l'exposició, el stellarator havia sofert una llarga sèrie de problemes menors que s'estaven resolent. La resolució dels mateixos va revelar que la velocitat de difusió del plasma era molt més ràpida del que predeia la teoria. En tots els dissenys contemporanis es van observar problemes similars, per una raó o altra. El stellarator, diversos conceptes de pessic i les màquines de mirall magnètic tant als EUA com a l'URSS van demostrar problemes que limitaven els seus temps de confinament.

Des dels primers estudis de fusió controlada, hi havia un problema que aguaitava en el fons. Durant el Projecte Manhattan, David Bohm havia format part de l'equip que treballava en la separació isotòpica de l'urani. En la postguerra va continuar treballant amb plasmes en camps magnètics. Utilitzant la teoria bàsica, s'esperaria que el plasma es difongués a través de les línies de força a un ritme inversament proporcional al quadrat de la intensitat del camp, cosa que significa que petits increments de la força millorarien molt el confinament. Però basant-se en els seus experiments, Bohm va desenvolupar una fórmula empírica, ara coneguda com difusió de Bohm, que suggeria que la taxa era lineal amb la força magnètica, no el seu quadrat.

Si la fórmula de Bohm era correcta, no hi havia esperança de poder construir un reactor de fusió basat en el confinament magnètic. Per a confinar el plasma a les temperatures necessàries per a la fusió, el camp magnètic hauria de ser ordres de magnitud majors que qualsevol imant conegut. Spitzer va atribuir la diferència entre les taxes de difusió de Bohm i les clàssiques a la turbulència en el plasma, i va creure que els camps estables del stellarator no sofririen aquest problema. Diversos experiments de l'època suggerien que la taxa de Bohm no era aplicable i que la fórmula clàssica era correcta.

Però a principis de la dècada de 1960, amb tots els diversos dissenys que perdien plasma a un ritme prodigiós, el propi Spitzer va arribar a la conclusió que l'escala de Bohm era una qualitat inherent als plasmes, i que el confinament magnètic no funcionaria. Tot el camp va descendir al que es va conèixer com "la depressió", un període d'intens pessimisme.

Progrés en la dècada de 1960

En contrast amb els altres dissenys, els tokamaks experimentals semblaven progressar bé, tant que un petit problema teòric era ara una veritable preocupació. En presència de la gravetat, existeix un petit gradient de pressió en el plasma, abans prou petit com per a ignorar-lo, però que ara es convertia en alguna cosa que calia abordar. Això va conduir a l'addició d'un altre conjunt d'imants en 1962, que produïa un camp vertical que compensava aquests efectes. Això va ser un èxit, i a mitjan dècada de 1960 les màquines van començar a mostrar signes que estaven superant el Bohm.

En la Segona Agència Internacional de l'Energia Atòmica de 1965 Conferència sobre fusió en l'acabat d'inaugurar Centre Culham per a l'Energia de Fusió del Regne Unit, Artsimóvitx va informar que els seus sistemes superaven el límit de Bohm en 10 vegades. Spitzer, revisant les presentacions, va suggerir que el límit de Bohm podria continuar sent aplicable; els resultats estaven dins del rang d'error experimental dels resultats vists en els stellarators, i els mesuraments de temperatura, basades en els camps magnètics, simplement no eren fiables.

La següent gran reunió internacional de fusió es va celebrar a l'agost de 1968 a Novosibirsk. Per a llavors s'havien completat altres dos dissenys de tokamak, el TM-2 en 1965 i el T-4 en 1968. Els resultats del T-3 havien continuat millorant, i els primers assajos dels nous reactors llançaven resultats similars. En la reunió, la delegació soviètica va anunciar que T-3 estava produint temperatures d'electrons de 1.000 eV (equivalent a 10 milions de graus Celsius) i que el temps de confinament era almenys 50 vegades el límit de Bohm.

Aquests resultats eren almenys 10 vegades superiors als de qualsevol altra màquina. Si eren correctes, representaven un enorme salt per a la comunitat de la fusió. Spitzer es va mantenir escèptic, assenyalant que els mesuraments de temperatura continuaven basant-se en els càlculs indirectes a partir de les propietats magnètiques del plasma. Molts van concloure que es devien a un efecte conegut com electrons desbocats, i que els soviètics estaven mesurant només aquests electrons extremadament energètics i no la temperatura global. Els soviètics van respondre amb diversos arguments que suggerien que la temperatura que estaven mesurant era la Maxwelliana, i el debat es va empitjorar.

Culham Five

Després de ZETA, els equips del Regne Unit van començar a desenvolupar noves eines de diagnòstic del plasma per a proporcionar mesuraments més precisos. Entre elles estava l'ús d'un làser per a mesurar directament la temperatura dels electrons en massa utilitzant la dispersió Thomson. Aquesta tècnica era ben coneguda i respectada en la comunitat de la fusió; Artsimóvitx l'havia qualificat públicament de "brillant". Artsimóvitx va convidar a Bas Pease, el cap de Culham, a utilitzar els seus dispositius en els reactors soviètics. En plena guerra freda, en el que encara es considera una important maniobra política per part de Artsimóvitx, es va permetre als físics britànics visitar l'Institut Kurtxàtov, el cor de l'esforç soviètic en matèria de bombes nuclears.

L'equip britànic, sobrenomenat "Els cinc de Culham", va arribar a la fi de 1968. Després d'un llarg procés d'instal·lació i calibratge, l'equip va mesurar les temperatures al llarg de molts experiments. Els resultats inicials van estar disponibles a l'agost de 1969; els soviètics tenien raó, els seus resultats eren precisos. L'equip va telefonar els resultats a Culham, qui els va transmetre en una trucada telefònica confidencial a Washington. Els resultats finals es van publicar en Nature al novembre de 1969. Los resultados de este anuncio se han descrito como una "verdadera estampida" de construcción de tokamaks en todo el mundo.

Quedava un greu problema. Com el corrent elèctric en el plasma era molt menor i produïa molta menys compressió que una màquina de pessic, això significava que la temperatura del plasma estava limitada a la taxa d'escalfament resistiu del corrent. Proposta per primera vegada en 1950, la resistivitat de Spitzer afirmava que la resistència elèctrica d'un plasma es reduïa a mesura que augmentava la temperatura, cosa que significa que la velocitat d'escalfament del plasma disminuiria a mesura que els dispositius milloressin i les temperatures es pressionessin més. Els càlculs van demostrar que les temperatures màximes resultants mentre es mantinguessin dins de q > 1 es limitarien a milions de graus. Artsimóvitx es va afanyar a assenyalar això en Novosibirsk, afirmant que el progrés futur requeriria el desenvolupament de nous mètodes d'escalfament.

Torbació als Estats Units

Una de les persones que va assistir a la reunió de Novosibirsk en 1968 va ser Amasa Stone Bishop, un dels líders del programa de fusió estatunidenca. Un dels pocs dispositius que van mostrar proves clares de superar el límit de Bohm en aquest moment va ser el concepte multipolar. Tant el Lawrence Livermore com el Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), seu del stellarator de Spitzer, estaven construint variacions del disseny multipolar. Encara que van tenir un èxit moderat per si mateixos, el T-3 va superar àmpliament a qualsevol de les dues màquines. A Bishop el preocupava que els multipols fossin redundants i pensava que els Estats Units havia de considerar la possibilitat de crear un tokamak propi.

Quan va plantejar la qüestió en una reunió de desembre de 1968, els directors dels laboratoris es van negar a considerar-la. Melvin B. Gottlieb, de Princeton, es va exasperar i va preguntar: "Creu vostè que aquest comitè pot pensar més que els científics?" Amb els principals laboratoris exigint el control de la seva pròpia recerca, un d'ells es va quedar fora. [El Laboratori Nacional d'Oak Ridge havia entrat originalment en el camp de la fusió amb estudis sobre els sistemes d'alimentació dels reactors, però es va diversificar en un programa mirall propi. A mitjan dècada de 1960, els seus dissenys de DCX s'estaven quedant sense idees, i no oferien res que no oferís el programa similar del més prestigiós i políticament poderós Livermore. Això va fer que anessin molt receptius a nous conceptes.

Després d'un considerable debat intern, Herman Postma va formar un petit grup a principis de 1969 per a considerar el tokamak. Se'ls va ocórrer un nou disseny, batejat posteriorment com Ormak, que tenia diverses característiques noves. La principal era que el camp extern es creava en un sol bloc de coure de gran grandària, alimentat per un gran transformador sota el toro. Això s'oposava als dissenys tradicionals que utilitzaven bobines d'imants en l'exterior. Van considerar que el bloc únic produiria un camp molt més uniforme. També tindria l'avantatge de permetre que el toro tingués un radi major més petit, sense la necessitat de passar els cables pel forat del dònut, la qual cosa portaria a una menor relació d'aspecte, que els soviètics ja havien suggerit que produiria millors resultats.

Carrera de Tokamak als Estats Units

A principis de 1969, Artsimóvitx va visitar el MIT, on va ser assetjat pels interessats en la fusió. Finalment va acceptar donar diverses conferències a l'abril i després va permetre llargues sessions de preguntes i respostes. A mesura que aquestes es desenvolupaven, el propi MIT es va interessar pel tokamak, ja que anteriorment s'havia mantingut al marge del camp de la fusió per diverses raons. Bruno Coppi estava en el MIT en aquest moment, i seguint els mateixos conceptes que l'equip de Postma, va idear el seu propi concepte de baixa relació d'aspecte, Alcator. En lloc del transformador toroidal de Ormak, Alcator utilitzava imants tradicionals en forma d'anell, però requeria que fossin molt més petits que els dissenys existents. El Laboratori d'imants Francis Bitter del MIT era el líder mundial en el disseny d'imants i confiaven a poder construir-los.

Durant 1969, dos grups addicionals van entrar en el camp. A General Atomics, Tihiro Ohkawa havia estat desenvolupant reactors multipolars, i va presentar un concepte basat en aquestes idees. Es tractava d'un tokamak que tindria una secció transversal de plasma no circular; les mateixes matemàtiques que suggerien que una relació d'aspecte més baixa milloraria el rendiment també suggerien que un plasma en forma de C o D faria el mateix. Va anomenar al nou disseny Doublet. Mentrestant, un grup de la Universitat de Texas a Austin proposava un tokamak relativament senzill per a explorar l'escalfament del plasma a través de turbulències induïdes deliberadament, el Texas Turbulent Tokamak.

Quan els membres del Comitè Directiu de Fusió de la Comissió d'Energia Atòmica es van reunir de nou el juny de 1969, tenien "propostes de tokamak que ens sortien per les orelles". L'únic laboratori important que treballava en un disseny toroidal i que no proposava un tokamak era Princeton, que es negava a considerar-ho a pesar que el seu stellarator model C era gairebé perfecte per a tal conversió. Van continuar oferint una llarga llista de raons per les quals el Model C no havia de convertir-se. En qüestionar-les, es va deslligar un furiós debat sobre la fiabilitat dels resultats soviètics.

En veure com es desenvolupava el debat, Gottlieb va canviar d'opinió. No tenia sentit continuar amb el tokamak si els mesuraments soviètics de la temperatura dels electrons no eren precises, així que va formular un pla per a demostrar o refutar els seus resultats. Mentre nedava en la piscina durant la pausa de l'esmorzar, li va comptar a Harold Furth el seu pla, al que Furth va respondre "Bueno, potser tens raó". Després de l'esmorzar, els diferents equips van presentar els seus dissenys, moment en el qual Gottlieb va presentar la seva idea d'un "stellarator-tokamak" basat en el Model C.

El Comitè Permanent va assenyalar que aquest sistema podria estar acabat en sis mesos, mentre que Ormak trigaria un any. Poc després es van donar a conèixer els resultats confidencials dels Cinc de Culham. Quan es van reunir de nou a l'octubre, el Comitè Permanent va alliberar el finançament de totes aquestes propostes. La nova configuració del Model C, que aviat va rebre el nom de Tokamak simètric, pretenia simplement verificar els resultats soviètics, mentre que els altres explorarien maneres d'anar molt més enllà de la T-3.

Escalfament: els Estats Units pren la davantera

Vista aèria del Princeton Large Torus en 1975. El PLT va establir nombrosos rècords i va demostrar que les temperatures necessàries per a la fusió eren possibles.

Els experiments amb el Tokamak Simètric van començar el maig de 1970, i a principis de l'any següent van confirmar els resultats soviètics i els van superar. Es va abandonar el stellarator i la PPPL va dedicar la seva considerable experiència al problema de l'escalfament del plasma. Dos conceptes semblaven prometedors. PPPL va proposar utilitzar la compressió magnètica, una tècnica similar a la dels pessics per a comprimir un plasma calent i augmentar la seva temperatura, però proporcionant aquesta compressió a través d'imants en lloc de corrent. Oak Ridge va suggerir injecció de feix neutre, petits acceleradors de partícules que dispararien àtoms de combustible a través del camp magnètic circumdant, on col·lidirien amb el plasma i l'escalfarien.

El Compressor Toroidal Adiabàtic (ATC) de PPPL va començar a funcionar el maig de 1972, seguit poc després per un Ormak equipat amb un feix neutre. Tots dos van demostrar tenir problemes significatius, però PPPL es va avançar a Oak Ridge en instal·lar injectors de feix en l'ATC i va proporcionar proves clares d'un escalfament reeixit en 1973. Aquest èxit "es va emportar per davant" a Oak Ridge, que va caure en desgràcia dins del Comitè Directiu de Washington.

Per a llavors s'estava construint un disseny molt més gran basat en l'escalfament de feixos, el Princeton Large Torus, o PLT. El PLT es va dissenyar específicament per a "donar una clara indicació de si el concepte de tokamak més l'escalfament auxiliar pot constituir una base per a un futur reactor de fusió". El PLT va ser un enorme èxit, elevant contínuament la seva temperatura interna fins a aconseguir els 60 milions de Celsius (8.000 eV, vuit vegades el rècord del T-3) en 1978. Aquest és un punt clau en el desenvolupament del tokamak; les reaccions de fusió es tornen autosostenibles a temperatures entre 50 i 100 milions de Celsius, PLT va demostrar que això era tècnicament assolible.

Aquests experiments, especialment el PLT, van situar als Estats Units molt al capdavant de la recerca en tokamak. Això es deu en gran manera al pressupost; un tokamak costava uns 500.000 dòlars i el pressupost anual dels EUA per a la fusió era d'uns 25 milions de dòlars en aquella època. Van poder permetre's explorar tots els mètodes prometedors d'escalfament, descobrint finalment que els feixos neutres estaven entre els més eficaços.

Durant aquest període, Robert Hirsch es va fer càrrec de la Direcció de desenvolupament de la fusió en la Comissió d'Energia Atòmica dels Estats Units. Hirsch va considerar que el programa no podia mantenir-se amb els nivells de finançament actuals sense demostrar resultats tangibles. Va començar a reformular tot el programa. El que abans era un esforç d'exploració científica dirigit pels laboratoris, ara era un esforç dirigit per Washington per a construir un reactor que produís energia. La crisi del petroli de 1973 va donar un impuls a aquesta iniciativa, la qual cosa va portar a un gran augment de la recerca en sistemes d'energia alternativa.

Dècada de 1980: gran esperança, gran decepció

El Joint European Torus (JET), el major tokamak que funciona en l'actualitat, que està en funcionament des de 1983

A la fi de la dècada de 1970, els tokamaks havien aconseguit totes les condicions necessàries per a un reactor de fusió pràctic; en 1978 el PLT havia demostrat les temperatures d'ignició, a l'any següent el T-7 soviètic va utilitzar amb èxit imants superconductors per primera vegada, El doblet va resultar ser un èxit i va portar al fet que gairebé tots els dissenys futurs adoptessin aquest enfocament de "plasma modelat". Semblava que tot el que es necessitava per a construir un reactor que produís energia era posar tots aquests conceptes de disseny en una sola màquina, una que fos capaç de funcionar amb el triti radioactiu en la seva mescla de combustible.

La carrera estava en marxa. Durant la dècada de 1970, es van finançar quatre grans propostes de segona generació a tot el món. Els soviètics van continuar la seva línia de desenvolupament amb el T-15, mentre que un esforç paneuropeu desenvolupava el Joint European Torus (JET) i el Japó començava l'esforç del JT-60 (originalment conegut com a "Breakeven Plasma Test Facility"). Als Estats Units, Hirsch va començar a formular plans per a un disseny similar, saltant-se les propostes d'un altre disseny de pas directament a un de combustió de triti. Això va sorgir com el Reactor de Prova de Fusió Tokamak (TFTR), dirigit directament des de Washington i no vinculat a cap laboratori específic. En un principi, Hirsch es va inclinar per Oak Ridge com a seu, però ho va traslladar a PPPL després que uns altres el convencessin que serien els que més treballarien en ell perquè eren els que més havien de perdre.

Desenvolupament

El 1956, van començar les investigacions experimentals d'aquests sistemes a l'Institut d'Energia Atòmica Ígor Vassílievitx Kurtxàtov de l'Acadèmia de Ciències de l'URSS. El primer tokamak consistia d'una cambra de buit amb forma toroidal que contenia hidrogen i un dispositiu elèctric que per fortes descàrregues ionitzava el gas fins a portar-lo a l'estat plasmàtic. Un fort camp magnètic helicoidal provocat amb potents electroimants aconseguia el confinament del plasma d'elevadíssimes temperatures.

El 21 de maig de 2000, s'anuncià que físics nord-americans havien superat un dels problemes de la fusió nuclear, el fenomen anomenat maneres localitzats a la vora, o ELMs (per les seves sigles en anglès, 'edge localized modes') que provocaria una erosió de l'interior del reactor, obligant al seu reemplaçament freqüentment.
En un article publicat el diumenge 21 de maig de 2000 en la revista britànica Nature Physics, un equip dirigit per Todd Evans, de l'empresa General Atomics, Califòrnia, anuncià el descobriment que un petit camp magnètic ressonant, provinent de les bobines especials ubicades a l'interior del vas del reactor, crea una interferència magnètica «caòtica» a la vora del plasma que deté la formació de flux.

El 24 de maig de 2006, els set socis del projecte ITER - Unió Europea, Japó, Estats Units, Corea del Sud, l'Índia, Rússia i la Xina - van signar a Brussel·les l'acord internacional per al llançament del reactor de fusió internacional, que es construirà a Cadarache, al sud-est de França usant el disseny del tokamak. Els costos de construcció del reactor es van estimar en 4.570 milions d'euros i la durada de la construcció en 10 anys. La UE i França es van comprometre a contribuir amb el 50% del cost, mentre que les altres sis parts van acordar aportar cadascuna al voltant del 10%.

Bibliografia

• Braams, C.M.; Stott, P.E.. Nuclear Fusion: Half a Century of Magnetic Confinement Research. Institute of Physics Publishing, 2002. ISBN 978-0-7503-0705-5. 
• Bromberg, Joan Lisa. Fusion: Science, Politics, and the Invention of a New Energy Source. MIT Press, 1982. ISBN 978-0-262-02180-7. 
• Clery, Daniel. A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy. MIT Press, 2014. ISBN 978-1-4683-1041-2. 
• Dolan, Thomas J. Fusion Research, Volume 1 – Principles. Pergamon Press, 1982. Plantilla:LCC. 
• Herman, Robin. Fusion: the search for endless energy. Cambridge University Press, 1990. ISBN 978-0-521-38373-8. 
• Kadomtsev, B. «Hydrodynamic Stability of a Plasma». A: Reviews of Plasma Physics, 1966, p. 153–199. 
• Kenward, Michael (24 May 1979b). «Fusion Research – the temperature rises». New Scientist 82 (1156): 627. 
• McCracken, Garry; Stott, Peter. Fusion: The Energy of the Universe. Academic Press, 2012. ISBN 978-0-12-384657-0. 
• Nishikawa, K.. Plasma Physics. Springer-Verlag, 2000. ISBN 978-3-540-65285-4. 
• Raeder, J. Controlled Nuclear Fusion. John Wiley & Sons, 1986. ISBN 978-0-471-10312-7. 
• Shafranov, Vitaly «On the history of the research into controlled thermonuclear fusion». Journal of the Russian Academy of Sciences, vol. 44, 8, 2001, p. 835–865.
• Smirnov, Vladimir «Tokamak foundation in USSR/Russia 1950–1990». Nuclear Fusion, vol. 50, 1, 2009-12-30, p. 014003. Bibcode: 2010NucFu..50a4003S. DOI: 10.1088/0029-5515/50/1/014003.
• Wesson, John. Tokamaks. Oxford University Press, 2004. ISBN 978-0-19-850922-6. 
• Wesson, John. The Science of JET. JET Joint Undertaking, November 1999. 

Enllaços externs

• Atomics Fusió Group (Anglès, contingut tècnic i educacional)
• Российский энциклопедический словарь. El diccionari enciclopèdic rus.
• nuclear: el poder de l'àtom