VII. OTRAS CONFIGURACIONES MAGN�TICAS EN ESTUDIO

SE HA descrito con cierto detalle el modo de operaci�n de un tokamak y sus caracter�sticas m�s importantes para dejar en claro el tipo de problemas que se presenta en el confinamiento de un plasma y c�mo se resuelven o se intentan resolver. Todo el trabajo invertido en el estudio de los tokamaks ha sido, o est� siendo complementado, mediante estudios de otras configuraciones magn�ticas que tambi�n tienen ciertas cualidades interesantes que las hacen atractivas para el confinamiento de plasmas termonucleares. Ya se ha mencionado en el cap�tulo V los diferentes tipos de configuraciones magn�ticas que se utilizan, as� que en lo que sigue se describir� c�mo se han implementado estas ideas en varios aparatos experimentales, aunque no se entrar� en detalle, como se hizo con el tokamak. Hay que mencionar que muchos de los experimentos que se van a describir tienen una historia m�s larga que la del tokamak pero no se ha avanzado tanto en su capacidad confinadora, en parte por deficiencias en su desempe�o y en parte porque no se ha invertido tanto trabajo en ellos. Algunas configuraciones inclusive han sido descartadas pero las mencionaremos por el inter�s hist�rico que alguna vez tuvieron.

Al principio de la era de la investigaci�n sobre la fusi�n termonuclear, a principios de la d�cada de los a�os 50, cuando la investigaci�n era secreta, se empezaron a estudiar casi simult�neamente tres conceptos distintos, en laboratorios diferentes de los Estados Unidos. En Princeton se desarroll� el stellarator, en Los Alamos los compresores z y q, y en Livermore los espejos magn�ticos. Tambi�n en Inglaterra se investigaron los compresores z lineales y toroidales. Al final de esa d�cada los proyectos dejaron de ser secretos y se empez� a tener un intercambio de ideas muy constructivo, que permiti� valorar las cualidades y los defectos de los distintos experimentos, y se inici� la colaboraci�n internacional. Los nuevos experimentos de confinamiento magn�tico que se han desarrollado han seguido bas�ndose en alguno de los tres conceptos iniciales, a los que se ha hecho modificaciones (peque�as y grandes) para mejorar su desempe�o. A continuaci�n se describir�n los experimentos m�s importantes.

Stellarator y torsatr�n. Comenzamos con el stellarator por ser en varios sentidos similar al tokamak, que ya conocemos bien. El nombre viene de la idea inicial de que el aparato operar�a como una estrella (stellar) toroidal (tor), para generar energ�a. La configuraci�n, al ser toroidal requiere que las l�neas de campo sean helicoidales en las superficies de flujo para mantener el equilibrio. En este caso, la forma del campo magn�tico se especifica totalmente con bobinas externas, que se distribuyen alrededor de la c�mara de vac�o. De este modo la configuraci�n magn�tica deseada se tiene aun en ausencia de plasma, lo que no puede ocurrir en un tokamak pues la corriente del plasma es esencial. El stellarator puede funcionar con corriente el�ctrica en el plasma o sin ella, y cuando se usa es �nicamente como medio para calentar �hmicamente al plasma.

FIGURA 20. Distintas configuraciones del setellator. El primero ten�a forma de 8. Se pueden usar bobinas helicoi dales auxiliares o bobinas modulares que se acomodan con un giro progresivo.

En el primer stellarator que se construy�, en lugar de recurrir a formas especiales para las bobinas se opt� por modificar la geometr�a de la c�mara de vac�o que contiene al plasma. As� surgi� el stellarator de figura de 8, que justamente ten�a la forma del n�mero ocho, creado a partir de un toroide que se tuerce 180 grados hasta llegar a esta forma (figura 20). Si se parte de un toroide que tiene �nicamente campo toroidal, creado por bobinas circulares que abrazan al toroide, es f�cil convencerse de que despu�s de torcerlo en forma de 8, una l�nea de campo pasar� por la parte superior en un extremo del aparato y por la inferior en el otro. Con este proceso las l�neas de campo adquieren un giro que evita la separaci�n de carga, propia de una configuraci�n magn�tica puramente toroidal.

Otra posibilidad dentro de la idea de deformar la c�mara de vac�o, manteniendo bobinas circulares, es hacer que el eje magn�tico forme una h�lice, para lo cual la c�mara misma debe ser helicoidal. Sin embargo, la mayor�a de los stellarator utilizan una c�mara de vac�o de forma toroidal y tienen enrolladas alrededor de ella algunas bobinas del tipo de h�lice. Estas bobinas son adicionales a las que generan el campo toroidal, y se colocan en el interior de ellas. Por esta raz�n el cociente del radio menor al radio mayor es mucho menor que en un tokamak, pues queda poco espacio para el plasma en el interior del arreglo de bobinas. Esta puede ser una causa del menor desempe�o del stellarator en relaci�n con el tokamak. El giro de las l�neas es producido por un n�mero de pares de conductores que se enrollan en espiral alrededor del toroide, llevando todos la misma corriente pero la direcci�n del flujo es opuesta en conductores adyacentes. En la figura 20 (b) se muestra una secci�n de un stellarator con l = 3, junto con la forma que adquiere la columna de plasma, que en este caso es triangular. El tri�ngulo rota a medida que se avanza en la direcci�n toroidal, y por lo tanto no se tiene simetr�a axial, como la del tokamak. La p�rdida de axisimetr�a hace m�s complicado el estudio de estas configuraciones, e introduce nuevos efectos, especialmente sobre el transporte.

Como las bobinas helicoidales son muy inc�modas de desmontar cuando se requiere dar mantenimiento al aparato, se han dise�ado tambi�n configuraciones con bobinas modulares que ocupan s�lo una secci�n del toroide y pueden desmontarse. Al respecto hay varias posibles formas de las bobinas: el�pticas, en zigzag o retorcidas, cuya orientaci�n se va rotando de un m�dulo a otro para producir el torcimiento de las l�neas de campo; un ejemplo se muestra en la figura 20 (c). En cualquier caso, hay que cuidar que el torcimiento de las l�neas cerca del centro del plasma no sea nulo para que haya buen confinamiento, pero como cuando l es mayor o igual que tres s� se anula, se agrega un campo vertical que causa un peque�o desplazamiento radial de los centros de las superficies magn�ticas, con lo que se crea un pozo magn�tico estabilizador. La estabilidad se mejora cuando la corriente del plasma se reduce, y la de las bobinas helicoidales se aumenta para conservar el valor de q. Haciendo esto se puede llegar a operar en un r�gimen bastante estable donde no hay corriente de plasma y que adem�s puede mantenerse en estado estacionario. En este aspecto es mejor que un tokamak, que no puede operar sin corriente, ya que con esto se puede alcanzar mayores valores de b, del orden de 0.1. En el r�gimen sin corriente de plasma se puede tambi�n reducir la fluctuaciones producidas por microinestabilidades, con lo que el transporte de energ�a disminuye y el tiempo de confinamiento aumenta. La operaci�n con corriente nula tiene adem�s la ventaja de no ser pulsada, por lo que puede funcionar de manera continua.

La p�rdida de axisimetr�a produce ondulaciones de las l�neas de campo, de modo que las part�culas que se mueven a lo largo de las l�neas "ven" un campo oscilante, y algunas de ellas quedan atrapadas en los peque�os rizos. Las part�culas atrapadas tienen �rbitas de banana, como las de los tokamaks, pero cubren s�lo una porci�n muy peque�a del toroide. Los centros de las �rbitas de banana tienen un movimiento de precesi�n en c�rculo alrededor del eje magn�tico, pero algunas son reflejadas en los puntos espejo del campo toroidal (los mismos que en el tokamak) y forman �rbitas de superbanana (que contiene a las bananas peque�as). Estas superbananas producen un aumento de la difusi�n de part�culas y energ�a, sobre todo en el r�gimen de bajas colisiones (alta temperatura), pues la distancia radial que puede desplazarse una part�cula es del orden del ancho de la superbanana, que es considerable.

Una modificaci�n del stellarator es el torsatr�n, el cual en vez de tener 2l bobinas helicoidales tiene s�lo l, con todas las corrientes en la misma direcci�n. Adem�s, �stas producen el campo toroidal, as� que no se necesitan bobinas para campo toroidal, por lo que su construcci�n es m�s sencilla. En la figura 21 se ilustra la configuraci�n para l = 3. Las bobinas del torsatr�n requieren mayores corrientes, pero por lo general se pueden dise�ar de modo que est�n casi libres de fuerzas (corriente y campo magn�tico paralelos), de modo que no haya grandes esfuerzos magn�ticos en las bobinas. Otra cosa que puede lograrse con un dise�o cuidadoso del �ngulo de avance de las bobinas es tener un campo vertical neto nulo. En general, si esto no se hace se obtiene un campo vertical producido por las bobinas helicoidales (que no aparece en un stellarator porque la mitad de las bobinas tienen corrientes en direcciones opuestas), que debe ser contrarrestado por bobinas adicionales de campo vertical.

FIGURA 21. El torsatr�n con l=3 utiliza 6 bobinas helicoidales que alteran la direcci�n de la corriente, sin bobinas toroidales, resultando en una secci�n triangualr de plasma que va retorci�ndose.

Los compresores. Forman otra familia de aparatos tambi�n similares al tokamak en el sentido de que requieren de una corriente en el plasma para confinarlo, es la de los compresores, tanto z como q. Ya vimos en el cap�tulo V que los compresores cil�ndricos con los extremos abiertos no son adecuados para el confinamiento por tiempos lo suficientemente largos pues la longitud del cilindro tendr�a que ser de varios kil�metros. Las alternativas son, entonces, tapar los extremos con espejos magn�ticos o con paredes de alg�n tipo, o cerrarlos en forma toroidal. En un compresor z, con la primera alternativa se introducen gran cantidad de impurezas, de los electrodos y de las paredes finales, mientras que con la segunda, el problema es que las inestabilidades MHD crecen r�pidamente. Cuando se sobrepone un campo toroidal intenso para estabilizar al compresor toroidal se obtiene el tokamak. Una variante del tokamak que funciona bajo el mismo principio es el compresor de tornillo que opera con b grande, del orden de 0.2 a 0.6. En estos dispositivos se logran densidades casi cien veces mayores que en un tokamak pero temperaturas menores en la misma proporci�n, y los tiempos de confinamiento son menores que un milisegundo, que es el costo de operar a B alta. Las mayores betas se tienen con plasmas de secciones transversales muy alargadas, pues como se trat� en el caso de los tokamaks, son m�s estables, y se conocen como compresores de cintur�n por la forma que adquiere el toroide; la columna es seis veces m�s alta que ancha. En el experimento BPIIA de este tipo se ha logrado b = 0.6, pero s�lo por 50 microsegundos.

Otra t�cnica de estabilizaci�n consiste en programar los campos magn�ticos de modo que quede atrapado un campo toroidal en el plasma y despu�s aplicar un campo toroidal en direcci�n opuesta, justo fuera del plasma. Con esto se tiene un cizallamiento muy grande que da buena estabilidad MHD a estos aparatos, que se llaman compresores de campo invertido. Los campos magn�ticos toroidal y poloidal son del mismo orden de magnitud (a diferencia del tokamak), as� que las l�neas se enrollan mucho, y los valores de q son peque�os (los modos de quiebre que aparecer�an a q baja no se desarrollan por el alto cizallamiento). Se ha mostrado que esta configuraci�n es un estado de m�nima energ�a en la que los campos son libres de fuerza (campo y corriente paralelos). Aparentemente las inestabilidades y la turbulencia llevan al plasma y los campos a adoptar el equilibrio del compresor de campo invertido, produci�ndose una inversi�n espont�nea del campo, lo cual se ha observado. Como al haber equilibrio MHD la fuerza magn�tica se compensa con el gradiente (o variaci�n radial) de la presi�n del plasma, al ser la primera igual a cero implica que la presi�n es constante. As� resulta que los perfiles de temperatura y presi�n son casi planos. Los valores de b son del orden de 0.1 o mayores, y hay grandes posibilidades de que pueda lograrse la condici�n de encendido s�lo con calentamiento �hmico.

Ahora veamos como se comportan los compresores q. Para confinar el plasma se produce una corriente variable alrededor de un cilindro, la cual produce un campo magn�tico axial que a su vez induce la corriente en la superficie del plasma en direcci�n q, por una acci�n de transformador. La fuerza de la interacci�n de esta corriente con el campo axial comprime radialmente el plasma. En la figura 22 se muestra esquem�ticamente el aparato, en el que se usa una bobina de una vuelta para mejorar la eficiencia en la inducci�n de la corriente q. Las part�culas en la vaina de corriente, como se le llama a la capa en contacto con el conductor, se mueven hacia el centro de la columna con velocidades mayores que la del sonido, por lo que se crea una onda de choque radial que calienta fuertemente el plasma en tiempo muy corto. Despu�s de esta fase, como la corriente en la bobina cambia m�s lentamente, el campo axial sigue aumentando hasta que llega a su valor m�ximo y por lo tanto el plasma se sigue comprimiendo y calentando; �sta es la etapa de compresi�n adiab�tica. Con este calentamiento en dos etapas se llegan a conseguir plasmas de temperaturas de 2 a 6 keV y densidades altas (> 4 X 10 ¹⁶ cm^-3), que pueden ser confinados sin problema porque todo el campo magn�tico queda fuera del plasma (no penetra), y su presi�n neta contrarresta la del plasma. As� se pueden tener betas muy elevadas; en la pr�ctica b= 0.8.

El problema con esta geometr�a, como ya se dijo, lo constituye la p�rdida por ambos extremos, de modo que se cierran con espejos o con tapones s�lidos, que al contacto con el plasma se vaporizan y forman un plasma m�s pesado, que retarda las p�rdidas. Tambi�n se usan dos compresores q paralelos, unidos en los extremos con tubos curvos, en la forma de una pista ovalada de carreras. Con esto se mojora bastante el tiempo de confinamiento, a pesar de que en las secciones curvas las p�rdidas son grandes. Un extremo de esta configuraci�n es el compresor q toroidal, pero se complica por la presencia de inestabilidades MHD. Para reducir el crecimiento de estos modos se han usado bobinas helicoidales como las del stellarator, pero el confinamiento se limita a decenas de microsegundos. Mejoras mayores pueden obtenerse con un sistema de estabilizaci�n retroalimentada, pero como resulta dif�cil de instrumentar se ha optado por usar la estabilizaci�n por las paredes, como se hace en un tokamak. Esto puede funcionar puesto que se trata de un aparato pulsado de pulsos muy cortos, y las corrientes de las paredes no se alcanzan a amortiguar.

FIGURA 22. Compresor q de una bobina de una sola vuelta. Primero en la fase din�mica de compresi�n y luego en equilibrio, donde se forma la columna de plasma con un campo magn�tico axial.

Una modificaci�n m�s profunda del compresor q lineal consiste en aplicar un campo axial con polaridad opuesta al producido por la bobina de descarga, para dar lugar a una inversi�n en el campo cerca del centro de la columna. Esto conduce a la formaci�n de un toroide interno. Este compresor theta con inversi�n de campo pertenece a una clase de configuraciones conocidas como toroides compactos o tambi�n configuraciones con inversi�n de campo (CIC). Un toroide compacto es un dispositivo toroidal sin bobinas magn�ticas que crucen el hoyo del toroide, lo que simplifica su construcci�n y mantenimiento. En la figura 23 se muestra el proceso de formaci�n del compresor q con inversi�n de campo. Primero se tiene un plasma preionizado al que se le aplica el campo magn�tico axial; entonces se produce la descarga en la bobina del compresor q, generando una implosi�n radial, durante la cual el campo inicial de polaridad opuesta se halla atrapado en el plasma y se comprime; al final de la compresi�n las l�neas de campo en los extremos del plasma con direcciones opuestas se rompen y reconectan, formando l�neas de campo poloidal cerradas que ahora forman parte de un toroide alargado, cuyo eje de simetr�a es el centro de la columna de plasma. El toroide se contrae hasta que alcanza su estado de equilibno, que permanece estable por decenas de microsegundos. Se puede alargar su tiempo de vida si se maximiza la fracci�n de campo magn�tico axial inverso que se atrapa en el plasma, lo que puede lograrse con una mejor preionizaci�n. Tambi�n hay que evitar la rotaci�n del plasma pues �sta empeora la estabilidad.

FIGURA 23. Proceso de formaci�n del compresor q con inversi�n de campo desde la etapa de preionizaci�n, luego la reconexi�n de l�neas magn�ticas, hasta la formaci�n de un cintur�n caliente alrededor del eje.

Una configuraci�n t�pica dentro de los toroides compactos es el esferomak. La diferencia fundamental con respecto a la que se acaba de describir es que se tiene un campo toroidal. Se puede producir mediante diversos m�todos, incluyendo el del compresor q mencionado antes, con la variante de que se agrega una corriente axial para producir el campo magn�tico toroidal. Las fases de formaci�n son las mismas que antes, pero en la contracci�n axial �ltima se llega a formar un toroide pr�cticamente esf�rico, como el que se muestra en la figura 24. Estos plasmas, al igual que los del compresor de campo invertido, se encuentran en un estado de m�nima energ�a —donde el campo y la corriente son paralelos— al cual tienden al seguir un proceso de relajaci�n. La formaci�n del esferomak, y en general de todos los toroides compactos, depende grandemente de los procesos de reconexi�n de l�neas magn�ticas, que son fen�menos a�n no bien entendidos, a pesar de que han sido estudiados desde hace mucho tiempo en problemas de plasmas del espacio exterior. Los toroides compactos, una vez formados, pueden desplazarse a lo largo del eje axial por medio de espejos m�viles, para ser usados en alg�n otro lugar. Esto permitir�a tener una c�mara de combusti�n separada de la de descarga, que es conveniente para el mantenimiento del sistema.

Existe otro tipo de aparatos que, aunque no est�n dentro de la categor�a de los compresores, se basan en un principio similar al de los toroides compactos. (En realidad los toroides compactos tampoco son del tipo de los compresores, pero los hemos incluido en esta secci�n porque su formaci�n se puede dar en un compresor theta, aunque no exclusivamente.) Estos aparatos son los anillos de electrones o de iones. En su formaci�n se utiliza una trampa magn�tica de l�neas rectas, con espejos en los extremos, en la que se inyecta, perpendicularmente a las l�neas de campo, un haz de part�culas energ�ticas que pueden ser iones o electrones, de manera que giren alrededor del eje del espejo bajo el efecto del campo. El sentido del giro es tal que el campo magn�tico que se genera por la corriente que forman estas part�culas es opuesto al del espejo, como se muestra en la figura 25. Las part�culas forman un anillo de corriente en cuyo interior se produce una inversi�n del campo, si la densidad de part�culas es suficientemente alta. Las l�neas de campo se cierran alrededor del anillo y producen una regi�n toroidal de B-m�nimo en el volumen ocupado por las part�culas. Al inyectar combustible en el anillo, aqu�l es ionizado y calentado r�pidamente por la part�culas energ�ticas y se forma un plasma caliente y estable en el pozo magn�tico. Aproximadamente una cuarta parte de la energ�a del anillo se utiliza para calentar el plasma.

FIGURA 24. Configuraci�n de un esferomak o toroide esf�rico, que se forma por un proceso similar al de la figura 23.

A esta configuraci�n, en el caso en el que las part�culas energ�ticas son electrones relativistas (los que se mueven a la velocidad de la luz), se le conoce como Astron. En los anillos no se requiere de un campo toroidal porque las altas energ�as de las part�culas le dan rigidez al anillo, con lo que adquiere estabilidad. Al usar iones se pueden lograr anillos de mayor duraci�n porque las p�rdidas de energ�a por radiaci�n sincrotr�n (al girar en el campo magn�tico) son mucho menores para los iones que para los electrones relativistas. Con el fin de lograr mayor eficacia en la inversi�n del campo es conveniente comprimir el anillo aumentando la intensidad del campo del espejo, con lo que se incrementa la energ�a del anillo. En principio, es posible tener anillos de energ�as de 300 MeV durante un tiempo de 5 segundos; experimentalmente han sido poco estudiados.

FIGURA 25. Anillo de electrones que permite la creaci�n de un campo magn�tico invertido con l�neas cerradas.

El �ltimo de los aparatos que describiremos en relaci�n a los compresores es el foco de plasma denso, que est� relacionado con el compresor z. Existen dos geometr�as del foco de plasma, que se muestran en la figura 26, la de Mather y la de Filippov. La primera consiste en dos electrodos cil�ndricos que forman un ca��n de plasma coaxial; en la segunda los electrodos son dos discos con un orificio en el centro. Los electrodos est�n separados por un aislante, y el volumen entre ellos se llena con gas a baja presi�n. Cuando se descarga un banco de condensadores el gas se ioniza a trav�s del aislante y fluye una corriente entre los electrodos (que para el foco tipo Mather es radial), que produce un campo magn�tico (acimutal para el de Mather). La interacci�n del campo (B) con la corriente (j) produce una fuerza magn�tica (j x B) que acelera una l�mina de plasma en direcci�n opuesta al aislante, la cual contin�a ionizando y arrastrando el gas neutro que encuentra, hasta llegar al final del electrodo. En ese momento el plasma se colapsa en un compresor z de volumen muy peque�o (1 mm de di�metro), con densidad y temperatura muy elevadas.

El tiempo de formaci�n del foco es de unos microsegundos, pero despu�s de varios nanosegundos (10^-9 seg) se desarrollan inestabilidades MHD violentas que lo destruyen. En este intervalo se llegan a producir grandes cantidades de neutrones (hasta 10 ¹² neutrones por descarga), que indican la presencia de reacciones de fusi�n. Sin embargo �stas se deben en su mayor�a a colisiones entre iones muy energ�ticos en un haz y iones t�rmicos (haz-blanco) y no son de origen termonuclear, por presentan poco inter�s. Los iones se aceleran en los campos el�ctricos de la turbulencia de plasma, generada por las corrientes tan intensas, alcanzando energ�as hasta de 1 MeV. La investigaci�n en los focos de plasma se concentra en determinar los mecanismos de emisi�n de neutrones y de aceleraci�n de iones. M�s que para reactores de fusi�n, la aplicaci�n del foco de plasma es como fuente de neutrones y de rayos X para usos industriales, m�dicos o nucleares. Cabe mencionar que en M�xico se cuenta con un foco de plasma de tipo Mather de baja energ�a (denominado Fuego Nuevo), en la UNAM, en el que se estudian estos plasmas de fusi�n densos y ef�meros.

FIGURA 26. Foco de plasma denso en sus dos modalidades, la de Mather y la de Filippov. Se muestra el corte transversal de dos cilindros coaxiales en el primer caso y dos discos paralelos con un orificio central en el segundo. La l�mina de plasma que se forma es impulsada por la fuerza j x B hasta que llega a concentrarse en una peque�a regi�n produciendo muchas reacciones de fusi�n.

Espejos y c�spides. Los espejos siempre han constituido un mecanismo atractivo para el confinamiento de un plasma, pues podr�an permitir la operaci�n del aparato de manera continua, ya que no dependen de la producci�n de descargas, ni est�n sujetos a las inestabilidades de las configuraciones toroidales. El problema principal es la p�rdida de part�culas por los extremos, que no puede evitarse sino s�lo reducirse. Ya se ha mencionado que el otro problema potencial, la presencia de inestabilidades por la curvatura desfavorable de las l�neas, puede solucionarse con configuraciones de B-m�nimo como las bobinas de beisbol o de Ying-Yang. Estas inestabilidades, que son impulsadas por la presi�n del plasma, tambi�n pueden prevenirse por medio de la introducci�n de part�culas energ�ticas que giran alrededor del eje del espejo, o haciendo rotar al plasma r�pidamente con campos el�ctricos radiales. Con estos m�todos, de alguna manera se reduce la presi�n que empuja hacia afuera al plasma, estabiliz�ndolo. Otra manera de producir una configuraci�n de B-m�nimo es creando c�spides magn�ticas en las regiones de curvatura desfavorable, aunque �sta ya no se considera un espejo. A continuaci�n describiremos dos sistemas de espejos relativamente adecuados para controlar las p�rdidas por los extremos: el espejo tandem y el toro abultado. Posteriormente describiremos las configuraciones de c�spides.

El espejo tandem consiste en un solenoide central (que es un embobinado alrededor de un cilindro), donde las líneas de campo son rectas, con espejos magn�ticos en los extremos a manera de tapones, como se muestra en la figura 27. En la regi�n central se colocan bobinas de octupolo para estabilizar, y para acoplar los campos del solenoide y de los espejos se usan bobinas de transici�n. El confinamiento del plasma en la direcci�n axial se logra en este dispositivo por medio de barreras electrost�ticas situadas en los extremos. La principal funci�n de los espejos, m�s que detener las part�culas magn�ticamente, es producir las barreras de la siguiente manera: en un espejo, los electrones se escapan m�s f�cilmente que los iones, debido a su gran movilidad, y a que las colisiones que los deflectan a la regi�n de p�rdidas son m�s frecuentes. Por lo tanto, el exceso de iones que queda hace que haya una carga neta positiva en el espejo, que retarda la p�rdida de m�s electrones y acelera la de los iones. Cuanto mayor sea la densidad de part�culas, mayor ser� el potencial el�ctrico (asociado con la separaci�n de carga). En un espejo tandem se producen altas densidades en los espejos de los extremos, mediante la inyecci�n de haces de part�culas neutras, de modo que exista una barrera de potencial m�s alta en los extremos que en el espejo central. En la figura 27 se muestra la variaci�n del negativo del potencial electrost�tico -f y del campo magn�tico B a lo largo del eje del espejo y puede observarse la barreras generadas. As�, se tiene que los iones de la celda central quedan confinados electrost�ticamente por las barreras de los extremos de tama�o f_e. (un pozo invertido), mientras que los electrones se confinan por la presencia de los potenciales positivos de alto f_c.

El confinamiento puede ser mejorado si se inyectan haces de part�culas neutras en cada una de las celdas de los extremos, en direcci�n perpendicular al campo, de modo que al ionizarse queden bien atrapadas. Al acercarse a los puntos espejo, su movimiento axial es m�s lento por lo que en promedio hay mayor densidad en estos puntos y en el centro un m�nimo de densidad. Este m�nimo tambi�n produce un m�nimo en el potencial el�ctrico (hay menos part�culas cargadas positivas). Como este m�nimo se tiene en cada una de las celdas de los extremos, los electrones de la celda central, que tiene una carga positiva, se encuentran atrapados por estas dos barreras (pues tienen menos carga positiva que la de la celda central, as� que aparecen como si fueran negativas), que impiden el flujo entre la celdas central y las de los extremos. A veces se usan tambi�n otros espejos auxiliares en los extremos de los espejos de tap�n a fin de reducir las p�rdidas. Para calentar el plasma se inyectan haces de electrones energ�ticos a lo largo del eje, con lo que adem�s se incrementa el potencial de los extremos.

FIGURA 27. Espejo tandem en el que se colocan espejos de B m�nimo en los extremos de un cilindro, que se encargan de producir barreras el�ctricas positivas. �stas mantienen al plasma central dentro de un pozo de potencial el�ctrico f como se muestra en la gr�fica inferior. Se tiene una combinaci�n de confinamiento magn�tico el�ctrico.

La otra opci�n para reducir las p�rdidas de un espejo por los extremos es el toro abultado, que consiste en alinear varios espejos magn�ticos, uno a continuaci�n del otro, a lo largo de una trayectoria circular. Con esto se tiene un toro (o toroide) delgado y ya no hay extremos abiertos por donde pueda haber p�rdidas, como se muestra en la figura 28. Aqu� no se tienen l�neas de campo helicoidales, como se ha dicho que se requiere en un toroide para evitar separaci�n de carga. Sin embargo, al moverse las part�culas dentro de los espejos, que tienen l�neas de campo curvas, el movimiento de deriva de la curvatura hace que roten en direcci�n poloidal, con lo que se evita la separaci�n de carga. El problema, al igual que con cualquier espejo, es la estabilidad en las regiones de mala curvatura. Para estabilizar estas regiones, en los experimentos existentes (FBT = Elmo Bumpy Torus) se introducen anillos de electrones energ�ticos en direcci�n poloidal, que son acelerados por resonancia con radioondas. Tambi�n pueden usarse anillos de iones o inducir una rotaci�n a trav�s de la deriva E x B al aplicar un campo el�ctrico radial.

A medida que se aumenta el n�mero de celdas de espejos el confinamiento mejora, porque as� las �rbitas m�s externas no se separan mucho de las superficies magn�ticas. Han podido ser identificados tres modos de operaci�n, seg�n la presi�n del gas neutro. El de mejor confinamiento es el de presiones intermedias (10^-3 atrn�sferas), teni�ndose plasmas relativamente calmados. Para presiones muy altas o muy bajas aparecen fluctuaciones que afectan el confinamiento. En estos aparatos se pueden tener betas grandes, como en otros espejos, con valores de b > 0.1.

Finalmente, describiremos los multipolos, que presentan configuraciones de c�spides magn�ticas. Consisten esencialmente de aros s�lidos conductores de forma toroidal que llevan las corrientes que producen los campos poloidales confinadores. Los conductores est�n en el interior de la c�mara de vac�o, pero debido a la configuraci�n magn�tica, el plasma casi no interact�a con ellos. No se requiere de un campo toroidal porque la corriente es llevada por anillos s�lidos que no est�n sujetos a inestabilidades, y pueden ser operados en estado estacionario. Seg�n sean las direcciones de las corrientes en los aros, la configuraci�n del campo magn�tico ser� de l�neas cerradas o de c�spide. En la figura 29 se presenta el diagrama del Tormac que es un octupolo bien conocido, y tiene corrientes que alternan de direcci�n, formando una configuraci�n de c�spide; es del tipo de B-m�nimo en la que la curvatura de l�neas siempre se da hacia afuera del plasma. Si todas las corrientes tienen la misma direcci�n tambi�n se crea una configuraci�n de B-m�nima, pero con l�neas cerradas. El problema de las c�spides magn�ticas es que el plasma escapa por estos v�rtices poco a poco. Esto se puede impedir creando un campo toroidal, haciendo pasar una corriente por el centro del toroide; as�, el plasma que quiere escapar debe atravesar este campo. Otra alternativa es usar microondas para calentar los electrones del plasma cerca de las c�spides; as� la presi�n incrementada retarda las p�rdidas.

FIGURA 28. Esquematizaci�n de un toro abultado, que se crea por una serie de espejos magn�ticos alineados para formar un toroide. La estabilizaci�n se logra por anillos de electrones o de iones en cada espejo individual.

FIGURA 29. El octopulo Tormac formado por cuatro aros de distintos di�metros. Las corrientes de los aros centrales son opuestas a las de los otros dos, produciendo un campo magn�tico de c�spides de B m�nima, como se muestra.

Normalmente, la zona ocupada por el plasma tiene campos magn�ticos muy reducidos, as� que toda la presi�n magn�tica del exterior del plasma se puede usar para contener una presi�n de plasma grande; de modo que b puede llegar a ser grande. Adem�s, los bajos campos reducen mucho las p�rdidas de energ�a por radiaci�n de sincrotr�n, que es uno de los mayores obst�culos para alcanzar las alt�simas temperaturas requeridas para las reacciones de los combustibles avanzados. Por ello se les ha considerado (junto con los espejos) como candidatos para los reactores con combustibles avanzados que no produzcan neutrones. El mayor problema con los multipolos es que para sujetar los anillos hay que usar soportes que interaccionan con el plasma, lo que aumenta las p�rdidas y contamina el plasma. Existen otras posibilidades para mantener los aros en posici�n sin la necesidad de soportes materiales: pueden hacerse levitar magn�ticamente si se fabrican de material superconductor, o es posible suspenderlos temporalmente con soportes mec�nicos retr�ctiles. Tambi�n se puede blindar a los soportes con un campo magn�tico producido por una corriente intensa que pase a trav�s de ellos, lo que evitar�a la interacci�n con el plasma. Existe un aparato de un solo anillo que utiliza la levitaci�n magn�tica para sostenerlo, el FM-1 Esferator, el cual se ha mantenido por varias horas. Los multipolos parecen funcionar mejor al aumentar su orden, o sea, usando un arreglo con m�s anillos, pero su n�mero complica el problema de la sujeci�n de los aros. Cabe se�alar que los multipolos no han mostrado a la fecha ser una buena alternativa a la construcci�n de reactores, pero siguen siendo configuraciones con atractivos interesantes.