VII. OTRAS CONFIGURACIONES MAGNÉTICAS EN ESTUDIO

SE HA descrito con cierto detalle el modo de operación de un tokamak y sus características más importantes para dejar en claro el tipo de problemas que se presenta en el confinamiento de un plasma y cómo se resuelven o se intentan resolver. Todo el trabajo invertido en el estudio de los tokamaks ha sido, o está siendo complementado, mediante estudios de otras configuraciones magnéticas que también tienen ciertas cualidades interesantes que las hacen atractivas para el confinamiento de plasmas termonucleares. Ya se ha mencionado en el capítulo V los diferentes tipos de configuraciones magnéticas que se utilizan, así que en lo que sigue se describirá cómo se han implementado estas ideas en varios aparatos experimentales, aunque no se entrará en detalle, como se hizo con el tokamak. Hay que mencionar que muchos de los experimentos que se van a describir tienen una historia más larga que la del tokamak pero no se ha avanzado tanto en su capacidad confinadora, en parte por deficiencias en su desempeño y en parte porque no se ha invertido tanto trabajo en ellos. Algunas configuraciones inclusive han sido descartadas pero las mencionaremos por el interés histórico que alguna vez tuvieron.

Al principio de la era de la investigación sobre la fusión termonuclear, a principios de la década de los años 50, cuando la investigación era secreta, se empezaron a estudiar casi simultáneamente tres conceptos distintos, en laboratorios diferentes de los Estados Unidos. En Princeton se desarrolló el stellarator, en Los Alamos los compresores z y q, y en Livermore los espejos magnéticos. También en Inglaterra se investigaron los compresores z lineales y toroidales. Al final de esa década los proyectos dejaron de ser secretos y se empezó a tener un intercambio de ideas muy constructivo, que permitió valorar las cualidades y los defectos de los distintos experimentos, y se inició la colaboración internacional. Los nuevos experimentos de confinamiento magnético que se han desarrollado han seguido basándose en alguno de los tres conceptos iniciales, a los que se ha hecho modificaciones (pequeñas y grandes) para mejorar su desempeño. A continuación se describirán los experimentos más importantes.

Stellarator y torsatrón. 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 operaría como una estrella (stellar) toroidal (tor), para generar energía. La configuración, al ser toroidal requiere que las líneas de campo sean helicoidales en las superficies de flujo para mantener el equilibrio. En este caso, la forma del campo magnético se especifica totalmente con bobinas externas, que se distribuyen alrededor de la cámara de vacío. De este modo la configuración magnética 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 eléctrica en el plasma o sin ella, y cuando se usa es únicamente como medio para calentar óhmicamente al plasma.

FIGURA 20. Distintas configuraciones del setellator. El primero tenía 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 construyó, en lugar de recurrir a formas especiales para las bobinas se optó por modificar la geometría de la cámara de vacío que contiene al plasma. Así surgió el stellarator de figura de 8, que justamente tenía la forma del número 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 únicamente campo toroidal, creado por bobinas circulares que abrazan al toroide, es fácil convencerse de que después de torcerlo en forma de 8, una línea de campo pasará por la parte superior en un extremo del aparato y por la inferior en el otro. Con este proceso las líneas de campo adquieren un giro que evita la separación de carga, propia de una configuración magnética puramente toroidal.

Otra posibilidad dentro de la idea de deformar la cámara de vacío, manteniendo bobinas circulares, es hacer que el eje magnético forme una hélice, para lo cual la cámara misma debe ser helicoidal. Sin embargo, la mayoría de los stellarator utilizan una cámara de vacío de forma toroidal y tienen enrolladas alrededor de ella algunas bobinas del tipo de hélice. Estas bobinas son adicionales a las que generan el campo toroidal, y se colocan en el interior de ellas. Por esta razón 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 desempeño del stellarator en relación con el tokamak. El giro de las líneas es producido por un número de pares de conductores que se enrollan en espiral alrededor del toroide, llevando todos la misma corriente pero la dirección del flujo es opuesta en conductores adyacentes. En la figura 20 (b) se muestra una sección de un stellarator con l = 3, junto con la forma que adquiere la columna de plasma, que en este caso es triangular. El triángulo rota a medida que se avanza en la dirección toroidal, y por lo tanto no se tiene simetría axial, como la del tokamak. La pérdida de axisimetría hace más complicado el estudio de estas configuraciones, e introduce nuevos efectos, especialmente sobre el transporte.

Como las bobinas helicoidales son muy incómodas de desmontar cuando se requiere dar mantenimiento al aparato, se han diseñado también configuraciones con bobinas modulares que ocupan sólo una sección del toroide y pueden desmontarse. Al respecto hay varias posibles formas de las bobinas: elípticas, en zigzag o retorcidas, cuya orientación se va rotando de un módulo a otro para producir el torcimiento de las líneas de campo; un ejemplo se muestra en la figura 20 (c). En cualquier caso, hay que cuidar que el torcimiento de las líneas cerca del centro del plasma no sea nulo para que haya buen confinamiento, pero como cuando l es mayor o igual que tres sí se anula, se agrega un campo vertical que causa un pequeño desplazamiento radial de los centros de las superficies magnéticas, con lo que se crea un pozo magnético 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 régimen bastante estable donde no hay corriente de plasma y que además 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 régimen sin corriente de plasma se puede también reducir la fluctuaciones producidas por microinestabilidades, con lo que el transporte de energía disminuye y el tiempo de confinamiento aumenta. La operación con corriente nula tiene además la ventaja de no ser pulsada, por lo que puede funcionar de manera continua.

La pérdida de axisimetría produce ondulaciones de las líneas de campo, de modo que las partículas que se mueven a lo largo de las líneas "ven" un campo oscilante, y algunas de ellas quedan atrapadas en los pequeños rizos. Las partículas atrapadas tienen órbitas de banana, como las de los tokamaks, pero cubren sólo una porción muy pequeña del toroide. Los centros de las órbitas de banana tienen un movimiento de precesión en círculo alrededor del eje magnético, pero algunas son reflejadas en los puntos espejo del campo toroidal (los mismos que en el tokamak) y forman órbitas de superbanana (que contiene a las bananas pequeñas). Estas superbananas producen un aumento de la difusión de partículas y energía, sobre todo en el régimen de bajas colisiones (alta temperatura), pues la distancia radial que puede desplazarse una partícula es del orden del ancho de la superbanana, que es considerable.

Una modificación del stellarator es el torsatrón, el cual en vez de tener 2l bobinas helicoidales tiene sólo l, con todas las corrientes en la misma dirección. Además, éstas producen el campo toroidal, así que no se necesitan bobinas para campo toroidal, por lo que su construcción es más sencilla. En la figura 21 se ilustra la configuración para l = 3. Las bobinas del torsatrón requieren mayores corrientes, pero por lo general se pueden diseñar de modo que estén casi libres de fuerzas (corriente y campo magnético paralelos), de modo que no haya grandes esfuerzos magnéticos en las bobinas. Otra cosa que puede lograrse con un diseño cuidadoso del ángulo 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 torsatrón con l=3 utiliza 6 bobinas helicoidales que alteran la dirección de la corriente, sin bobinas toroidales, resultando en una sección triangualr de plasma que va retorciéndose.

Los compresores. Forman otra familia de aparatos también 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 capítulo V que los compresores cilíndricos con los extremos abiertos no son adecuados para el confinamiento por tiempos lo suficientemente largos pues la longitud del cilindro tendría que ser de varios kilómetros. Las alternativas son, entonces, tapar los extremos con espejos magnéticos o con paredes de algún 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 rápidamente. 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 proporción, 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 trató en el caso de los tokamaks, son más estables, y se conocen como compresores de cinturón por la forma que adquiere el toroide; la columna es seis veces más alta que ancha. En el experimento BPIIA de este tipo se ha logrado b = 0.6, pero sólo por 50 microsegundos.

Otra técnica de estabilización consiste en programar los campos magnéticos de modo que quede atrapado un campo toroidal en el plasma y después aplicar un campo toroidal en dirección 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 magnéticos toroidal y poloidal son del mismo orden de magnitud (a diferencia del tokamak), así que las líneas se enrollan mucho, y los valores de q son pequeños (los modos de quiebre que aparecerían a q baja no se desarrollan por el alto cizallamiento). Se ha mostrado que esta configuración es un estado de mínima energía 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, produciéndose una inversión espontánea del campo, lo cual se ha observado. Como al haber equilibrio MHD la fuerza magnética se compensa con el gradiente (o variación radial) de la presión del plasma, al ser la primera igual a cero implica que la presión es constante. Así resulta que los perfiles de temperatura y presión son casi planos. Los valores de b son del orden de 0.1 o mayores, y hay grandes posibilidades de que pueda lograrse la condición de encendido sólo con calentamiento óhmico.

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 magnético axial que a su vez induce la corriente en la superficie del plasma en dirección q, por una acción de transformador. La fuerza de la interacción de esta corriente con el campo axial comprime radialmente el plasma. En la figura 22 se muestra esquemáticamente el aparato, en el que se usa una bobina de una vuelta para mejorar la eficiencia en la inducción de la corriente q. Las partículas 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. Después de esta fase, como la corriente en la bobina cambia más lentamente, el campo axial sigue aumentando hasta que llega a su valor máximo y por lo tanto el plasma se sigue comprimiendo y calentando; ésta es la etapa de compresión adiabática. 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 magnético queda fuera del plasma (no penetra), y su presión neta contrarresta la del plasma. Así se pueden tener betas muy elevadas; en la práctica b= 0.8.

El problema con esta geometría, como ya se dijo, lo constituye la pérdida por ambos extremos, de modo que se cierran con espejos o con tapones sólidos, que al contacto con el plasma se vaporizan y forman un plasma más pesado, que retarda las pérdidas. También 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 pérdidas son grandes. Un extremo de esta configuración 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 estabilización retroalimentada, pero como resulta difícil de instrumentar se ha optado por usar la estabilización 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 dinámica de compresión y luego en equilibrio, donde se forma la columna de plasma con un campo magnético axial.

Una modificación más 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 inversión en el campo cerca del centro de la columna. Esto conduce a la formación de un toroide interno. Este compresor theta con inversión de campo pertenece a una clase de configuraciones conocidas como toroides compactos o también configuraciones con inversión de campo (CIC). Un toroide compacto es un dispositivo toroidal sin bobinas magnéticas que crucen el hoyo del toroide, lo que simplifica su construcción y mantenimiento. En la figura 23 se muestra el proceso de formación del compresor q con inversión de campo. Primero se tiene un plasma preionizado al que se le aplica el campo magnético axial; entonces se produce la descarga en la bobina del compresor q, generando una implosión radial, durante la cual el campo inicial de polaridad opuesta se halla atrapado en el plasma y se comprime; al final de la compresión las líneas de campo en los extremos del plasma con direcciones opuestas se rompen y reconectan, formando líneas de campo poloidal cerradas que ahora forman parte de un toroide alargado, cuyo eje de simetría 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 fracción de campo magnético axial inverso que se atrapa en el plasma, lo que puede lograrse con una mejor preionización. También hay que evitar la rotación del plasma pues ésta empeora la estabilidad.

FIGURA 23. Proceso de formación del compresor q con inversión de campo desde la etapa de preionización, luego la reconexión de líneas magnéticas, hasta la formación de un cinturón caliente alrededor del eje.

Una configuración típica 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 métodos, incluyendo el del compresor q mencionado antes, con la variante de que se agrega una corriente axial para producir el campo magnético toroidal. Las fases de formación son las mismas que antes, pero en la contracción axial última se llega a formar un toroide prácticamente esférico, 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 mínima energía —donde el campo y la corriente son paralelos— al cual tienden al seguir un proceso de relajación. La formación del esferomak, y en general de todos los toroides compactos, depende grandemente de los procesos de reconexión de líneas magnéticas, que son fenómenos aún 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 móviles, para ser usados en algún otro lugar. Esto permitiría tener una cámara de combustión separada de la de descarga, que es conveniente para el mantenimiento del sistema.

Existe otro tipo de aparatos que, aunque no están dentro de la categoría 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 sección porque su formación se puede dar en un compresor theta, aunque no exclusivamente.) Estos aparatos son los anillos de electrones o de iones. En su formación se utiliza una trampa magnética de líneas rectas, con espejos en los extremos, en la que se inyecta, perpendicularmente a las líneas de campo, un haz de partículas energéticas 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 magnético que se genera por la corriente que forman estas partículas es opuesto al del espejo, como se muestra en la figura 25. Las partículas forman un anillo de corriente en cuyo interior se produce una inversión del campo, si la densidad de partículas es suficientemente alta. Las líneas de campo se cierran alrededor del anillo y producen una región toroidal de B-mínimo en el volumen ocupado por las partículas. Al inyectar combustible en el anillo, aquél es ionizado y calentado rápidamente por la partículas energéticas y se forma un plasma caliente y estable en el pozo magnético. Aproximadamente una cuarta parte de la energía del anillo se utiliza para calentar el plasma.

FIGURA 24. Configuración de un esferomak o toroide esférico, que se forma por un proceso similar al de la figura 23.

A esta configuración, en el caso en el que las partículas energéticas 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 energías de las partículas le dan rigidez al anillo, con lo que adquiere estabilidad. Al usar iones se pueden lograr anillos de mayor duración porque las pérdidas de energía por radiación sincrotrón (al girar en el campo magnético) son mucho menores para los iones que para los electrones relativistas. Con el fin de lograr mayor eficacia en la inversión del campo es conveniente comprimir el anillo aumentando la intensidad del campo del espejo, con lo que se incrementa la energía del anillo. En principio, es posible tener anillos de energías de 300 MeV durante un tiempo de 5 segundos; experimentalmente han sido poco estudiados.

FIGURA 25. Anillo de electrones que permite la creación de un campo magnético invertido con líneas cerradas.

El último de los aparatos que describiremos en relación a los compresores es el foco de plasma denso, que está relacionado con el compresor z. Existen dos geometrías del foco de plasma, que se muestran en la figura 26, la de Mather y la de Filippov. La primera consiste en dos electrodos cilíndricos que forman un cañón de plasma coaxial; en la segunda los electrodos son dos discos con un orificio en el centro. Los electrodos están separados por un aislante, y el volumen entre ellos se llena con gas a baja presión. Cuando se descarga un banco de condensadores el gas se ioniza a través del aislante y fluye una corriente entre los electrodos (que para el foco tipo Mather es radial), que produce un campo magnético (acimutal para el de Mather). La interacción del campo (B) con la corriente (j) produce una fuerza magnética (j x B) que acelera una lámina de plasma en dirección opuesta al aislante, la cual continúa 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 pequeño (1 mm de diámetro), con densidad y temperatura muy elevadas.

El tiempo de formación del foco es de unos microsegundos, pero después 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 fusión. Sin embargo éstas se deben en su mayoría a colisiones entre iones muy energéticos en un haz y iones térmicos (haz-blanco) y no son de origen termonuclear, por presentan poco interés. Los iones se aceleran en los campos eléctricos de la turbulencia de plasma, generada por las corrientes tan intensas, alcanzando energías hasta de 1 MeV. La investigación en los focos de plasma se concentra en determinar los mecanismos de emisión de neutrones y de aceleración de iones. Más que para reactores de fusión, la aplicación del foco de plasma es como fuente de neutrones y de rayos X para usos industriales, médicos o nucleares. Cabe mencionar que en México se cuenta con un foco de plasma de tipo Mather de baja energía (denominado Fuego Nuevo), en la UNAM, en el que se estudian estos plasmas de fusión densos y efímeros.

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 lámina de plasma que se forma es impulsada por la fuerza j x B hasta que llega a concentrarse en una pequeña región produciendo muchas reacciones de fusión.

Espejos y cúspides. Los espejos siempre han constituido un mecanismo atractivo para el confinamiento de un plasma, pues podrían permitir la operación del aparato de manera continua, ya que no dependen de la producción de descargas, ni están sujetos a las inestabilidades de las configuraciones toroidales. El problema principal es la pérdida de partículas por los extremos, que no puede evitarse sino sólo reducirse. Ya se ha mencionado que el otro problema potencial, la presencia de inestabilidades por la curvatura desfavorable de las líneas, puede solucionarse con configuraciones de B-mínimo como las bobinas de beisbol o de Ying-Yang. Estas inestabilidades, que son impulsadas por la presión del plasma, también pueden prevenirse por medio de la introducción de partículas energéticas que giran alrededor del eje del espejo, o haciendo rotar al plasma rápidamente con campos eléctricos radiales. Con estos métodos, de alguna manera se reduce la presión que empuja hacia afuera al plasma, estabilizándolo. Otra manera de producir una configuración de B-mínimo es creando cúspides magnéticas en las regiones de curvatura desfavorable, aunque ésta ya no se considera un espejo. A continuación describiremos dos sistemas de espejos relativamente adecuados para controlar las pérdidas por los extremos: el espejo tandem y el toro abultado. Posteriormente describiremos las configuraciones de cúspides.

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 magnéticos en los extremos a manera de tapones, como se muestra en la figura 27. En la región central se colocan bobinas de octupolo para estabilizar, y para acoplar los campos del solenoide y de los espejos se usan bobinas de transición. El confinamiento del plasma en la dirección axial se logra en este dispositivo por medio de barreras electrostáticas situadas en los extremos. La principal función de los espejos, más que detener las partículas magnéticamente, es producir las barreras de la siguiente manera: en un espejo, los electrones se escapan más fácilmente que los iones, debido a su gran movilidad, y a que las colisiones que los deflectan a la región de pérdidas son más frecuentes. Por lo tanto, el exceso de iones que queda hace que haya una carga neta positiva en el espejo, que retarda la pérdida de más electrones y acelera la de los iones. Cuanto mayor sea la densidad de partículas, mayor será el potencial eléctrico (asociado con la separación de carga). En un espejo tandem se producen altas densidades en los espejos de los extremos, mediante la inyección de haces de partículas neutras, de modo que exista una barrera de potencial más alta en los extremos que en el espejo central. En la figura 27 se muestra la variación del negativo del potencial electrostático -f y del campo magnético B a lo largo del eje del espejo y puede observarse la barreras generadas. Así, se tiene que los iones de la celda central quedan confinados electrostáticamente por las barreras de los extremos de tamaño 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 partículas neutras en cada una de las celdas de los extremos, en dirección perpendicular al campo, de modo que al ionizarse queden bien atrapadas. Al acercarse a los puntos espejo, su movimiento axial es más lento por lo que en promedio hay mayor densidad en estos puntos y en el centro un mínimo de densidad. Este mínimo también produce un mínimo en el potencial eléctrico (hay menos partículas cargadas positivas). Como este mínimo 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, así que aparecen como si fueran negativas), que impiden el flujo entre la celdas central y las de los extremos. A veces se usan también otros espejos auxiliares en los extremos de los espejos de tapón a fin de reducir las pérdidas. Para calentar el plasma se inyectan haces de electrones energéticos a lo largo del eje, con lo que además se incrementa el potencial de los extremos.

FIGURA 27. Espejo tandem en el que se colocan espejos de B mínimo en los extremos de un cilindro, que se encargan de producir barreras eléctricas positivas. Éstas mantienen al plasma central dentro de un pozo de potencial eléctrico f como se muestra en la gráfica inferior. Se tiene una combinación de confinamiento magnético eléctrico.

La otra opción para reducir las pérdidas de un espejo por los extremos es el toro abultado, que consiste en alinear varios espejos magnéticos, uno a continuación 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 pérdidas, como se muestra en la figura 28. Aquí no se tienen líneas de campo helicoidales, como se ha dicho que se requiere en un toroide para evitar separación de carga. Sin embargo, al moverse las partículas dentro de los espejos, que tienen líneas de campo curvas, el movimiento de deriva de la curvatura hace que roten en dirección poloidal, con lo que se evita la separación 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 energéticos en dirección poloidal, que son acelerados por resonancia con radioondas. También pueden usarse anillos de iones o inducir una rotación a través de la deriva E x B al aplicar un campo eléctrico radial.

A medida que se aumenta el número de celdas de espejos el confinamiento mejora, porque así las órbitas más externas no se separan mucho de las superficies magnéticas. Han podido ser identificados tres modos de operación, según la presión del gas neutro. El de mejor confinamiento es el de presiones intermedias (10^-3 atrnósferas), teniéndose 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 cúspides magnéticas. Consisten esencialmente de aros sólidos conductores de forma toroidal que llevan las corrientes que producen los campos poloidales confinadores. Los conductores están en el interior de la cámara de vacío, pero debido a la configuración magnética, el plasma casi no interactúa con ellos. No se requiere de un campo toroidal porque la corriente es llevada por anillos sólidos que no están sujetos a inestabilidades, y pueden ser operados en estado estacionario. Según sean las direcciones de las corrientes en los aros, la configuración del campo magnético será de líneas cerradas o de cúspide. En la figura 29 se presenta el diagrama del Tormac que es un octupolo bien conocido, y tiene corrientes que alternan de dirección, formando una configuración de cúspide; es del tipo de B-mínimo en la que la curvatura de líneas siempre se da hacia afuera del plasma. Si todas las corrientes tienen la misma dirección también se crea una configuración de B-mínima, pero con líneas cerradas. El problema de las cúspides magnéticas es que el plasma escapa por estos vértices poco a poco. Esto se puede impedir creando un campo toroidal, haciendo pasar una corriente por el centro del toroide; así, el plasma que quiere escapar debe atravesar este campo. Otra alternativa es usar microondas para calentar los electrones del plasma cerca de las cúspides; así la presión incrementada retarda las pérdidas.

FIGURA 28. Esquematización de un toro abultado, que se crea por una serie de espejos magnéticos alineados para formar un toroide. La estabilización se logra por anillos de electrones o de iones en cada espejo individual.

FIGURA 29. El octopulo Tormac formado por cuatro aros de distintos diámetros. Las corrientes de los aros centrales son opuestas a las de los otros dos, produciendo un campo magnético de cúspides de B mínima, como se muestra.

Normalmente, la zona ocupada por el plasma tiene campos magnéticos muy reducidos, así que toda la presión magnética del exterior del plasma se puede usar para contener una presión de plasma grande; de modo que b puede llegar a ser grande. Además, los bajos campos reducen mucho las pérdidas de energía por radiación de sincrotrón, que es uno de los mayores obstáculos para alcanzar las altísimas 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 pérdidas y contamina el plasma. Existen otras posibilidades para mantener los aros en posición sin la necesidad de soportes materiales: pueden hacerse levitar magnéticamente si se fabrican de material superconductor, o es posible suspenderlos temporalmente con soportes mecánicos retráctiles. También se puede blindar a los soportes con un campo magnético producido por una corriente intensa que pase a través de ellos, lo que evitaría la interacción con el plasma. Existe un aparato de un solo anillo que utiliza la levitación magnética 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 más anillos, pero su número complica el problema de la sujeción de los aros. Cabe señalar que los multipolos no han mostrado a la fecha ser una buena alternativa a la construcción de reactores, pero siguen siendo configuraciones con atractivos interesantes.