Implementación y simulación del tokamak esférico MEDUSA-CR: Etapa 1

Abstract

El tokamak esférico MEDUSA (Madison EDUcation Small Aspect ratio spherical tokamak, con un radio mayor de R < 0.14 m, radio menor de a < 0.10 m, campo toroidal BT < 0.5 T, corriente del plasma Ip < 40 kA, y 3 ms de pulso) fue construido y operado en la Universidad de Wisconsin en Madison en EE.UU. En el 2013 el Instituto Tecnológico de Costa Rica recibió en donación este dispositivo experimental junto con un banco de 3000 capacitores (1500 μF, 450 VDC) que se encuentran hoy en día en el Laboratorio de Plasmas para Energía de Fusión y Aplicaciones. Un Tokamak esférico es un tipo de dispositivo que confina magnéticamente plasmas de alta temperatura para investigación en energía de fusión basado en el principio Tokamak (acrónimo de palabras rusas que en español significan cámara toroidal con bobinas magnéticas). La investigación en estos dispositivos se realiza con el objetivo futuro de tener una nueva fuente de energía renovable a partir de fusión nuclear. El objetivo general de este proyecto fue “Implementar el sistema de vacío, inyección de gas, diseñar y simular el sistema de carga y descarga de los capacitores, así como simular plasmas en el tokamak esférico MEDUSA-CR”. Para alcanzarlo se definió una metodología basada en el diseño de los sistemas utilizando el criterio de experto, referencias del estado del arte y uso de códigos computacionales para simulación de plasma disponibles en la comunidad científica de Tokamaks. Como principales resultados de este proyecto se logró implementar un nuevo sistema de vacío para MEDUSA-CR, así como un nuevo sistema de inyección de gas compacto y móvil que permite picos de 1 ms, tiempo que es lo suficientemente rápido para la inercia inherente al gas inyectado. Se logró diseñar y simular un sistema de control de corriente para las bobinas del Tokamak Esférico MEDUSA-CR que presenta la oportunidad de habilitar otros modos de operación en este dispositivo. En este caso se diseñó y simuló para que pueda operar en modo AC, el cual permite realizar descargas de larga duración. Esto le da más relevancia al experimento pues amplia la capacidad de experimentación Finalmente, se simuló el confinamiento de equilibrio para MEDUSA-CR usando los parámetros de construcción originales. Se encontró que las bobinas de campo poloidal externos de radio más pequeño son prescindibles. Además, se concluyó que la geometría para la forma del plasma más conveniente es la forme bean shape.