miniatura|Camps magnètics d'un tokamak La fusió per confinament magnètic (MCF, per les seves sigles en anglès) és un mètode per generar energia de fusió termonuclear que utilitza camps magnètics per confinar el combustible de fusió en forma de plasma. El confinament magnètic és una de les dues branques principals de la investigació de la fusió controlada, juntament amb la fusió per confinament inercial.
Reactors de fusió per confinament magnètic Les reaccions de fusió per a reactors solen combinar nuclis atòmics lleugers de deuteri i triti per formar una partícula alfa (nucli d'heli-4) i un neutró, on l'energia s'allibera en forma d'energia cinètica dels productes de reacció. Per superar la repulsió electroestàtica entre els nuclis, el combustible ha de tenir una temperatura de centenars de milions de kelvins, a la qual el combustible està completament ionitzat i es converteix en un plasma. A més, el plasma ha de tenir una densitat suficient i l'energia ha de romandre a la regió de reacció durant un temps suficient. L'alta temperatura d'un plasma de fusió impedeix l'ús de recipients materials per a la contenció directa. La fusió per confinament magnètic intenta utilitzar la física del moviment de partícules carregades per contenir les partícules de plasma aplicant camps magnètics forts. Els tokamaks i els reactor estel·lar són els dos principals candidats a dispositius MCF actualment.
Un dels reptes de la recerca en MCF és el desenvolupament i l'extrapolació d'escenaris de plasma a les condicions de les centrals elèctriques, on s'ha de mantenir un bon rendiment de fusió i confinament energètic. S'estan estudiant activament possibles solucions a altres problemes com l'escapament de potència del divertor, la mitigació dels transitoris (interrupcions, electrons fugitius, modes localitzats a les vores), la gestió del flux de neutrons, la cria de triti i la física dels plasmes en combustió. El desenvolupament de noves tecnologies en diagnòstic de plasma, control en temps real, materials orientats al plasma, fonts de microones d'alta potència, enginyeria de buit, criogènia i imants superconductors són essencials en la recerca en MCF.
Història La investigació sobre l'ús de diverses configuracions magnètiques per confinar el plasma de fusió va començar a la dècada de 1950. Les primeres màquines de mirall simple i toroidals van mostrar resultats decebedors de baix confinament. Després de la desclassificació de la investigació sobre fusió pels Estats Units, el Regne Unit i la Unió Soviètica, el 1958, l'Institut Kurchatov va informar d'un avenç en els dispositius toroidals. La seva cambra toroidal amb bobines magnètiques (tokamak) va demostrar una temperatura de més de 10 milions de kelvins i mil·lisegons de temps de confinament, i va ser confirmat per un equip britànic visitant. Des de llavors, els tokamaks es van convertir en la línia de recerca dominant a nivell mundial, amb la construcció del Joint European Torus (JET), el Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) i el Japan Torus-60 (JT-60). L'experiment tokamak del International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) en construcció, que pretén demostrar el punt d'equilibri científic, serà el dispositiu MCF més gran del món.
Els experiments amb plasmes de deuteri-triti al TFTRHawryluk, J. R. 1998. Results from deuterium-tritium Tokamak confinement experiments. Reviews of Modern Physics {\bf 70} 537 https://doi.org/10.1103/RevModPhys.70.537 van crear 1,6 GJ d'energia de fusió durant el període 1993-1996. La potència de fusió màxima va ser de 10,3 MW a partir de 3,7 x 1018 reaccions per segon, i l'energia de fusió màxima creada en una descàrrega va ser de 7,6 MJ. Experiments posteriors en JET van aconseguir una potència de fusió màxima de 16 MW (5,8 x 1018/s) durant el DTE1,L.D. Horton, et al. High fusion power steady state operation in JET DT plasmas. Nuclear Fusion, 39: 993 DOI 10.1088/0029-5515/39/8/304 i una descàrrega que va produir 69 MJ durant el recent DTE3 (consumint 0,2 mgm de D i T).
El rècord actual de potència de fusió generada pels dispositius MCF el té JET. El 2021, JET va mantenir un factor de guany de Q = 0,33 durant 5 segons i va produir 59 MJ d'energia. El rècord del factor de guany va ser de 0,67 aconseguit el 1997, i el guany al nucli de plasma Qcore per a aquesta descàrrega es calcula en 1,3, utilitzant el codi de modelització integrat TRANSP.Budny, R.V., Cordey, J.G. and TFTR Team and JET Contributors. 2016. Core fusion power gain and alpha heating in JET, TFTR, and ITER. ''Nuclear Fus''. 56> 056002 #5 (May) https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0029-5515/56/5/056002
Tot i que els primers reactors estel·lars de baix confinament de la dècada del 1950 van quedar eclipsats per l'èxit inicial dels tokamaks, l'interès pels reactors estel·lars va tornar a sorgir a causa de la seva capacitat inherent per a un funcionament en estat estacionari i sense interrupcions, diferent dels tokamaks. L'experiment amb reactors estel·lars més gran del món, el Wendelstein 7-X, va començar a funcionar el 2015.
Referències
Categoria:Tecnologia nuclear