Para capturar y controlar en la Tierra las reacciones de fusión que impulsan el sol y las estrellas, Los investigadores primero deben convertir el gas a temperatura ambiente en gas caliente, plasma cargado que alimenta las reacciones. En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos han realizado un análisis que confirma la eficacia de una novela, forma no estándar para la puesta en marcha del plasma en futuras instalaciones de fusión compactas.

La técnica innovadora, conocido como "inyección helicoidal coaxial transitoria (CHI), "elimina el imán central, o solenoide, que lanza el plasma dentro de los tokamaks, las instalaciones de fusión más utilizadas. Tal eliminación podría facilitar constantes, o estado estacionario, reacciones de fusión y también liberar espacio valioso en el centro de tokamaks esféricos compactos, cuya forma de manzana sin corazón tiene menos espacio en el interior que los tokamaks convencionales en forma de rosquilla que son más comunes.

Aportando ventajas

El espacio liberado podría proporcionar ventajas:podría usarse para fortalecer el campo magnético que confina el plasma y, por lo tanto, mejorar su rendimiento. La eliminación del solenoide también podría simplificar el diseño de tokamaks compactos.

Las reacciones de fusión fusionan elementos ligeros en forma de plasma:los estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que se produce de forma natural en todo el universo y, por lo tanto, genera energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro prácticamente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad.

Los solenoides corren por el centro de un tokamak e inducen corriente en el gas sin carga que los investigadores inyectan en la instalación. La corriente quita electrones de los átomos del gas, convertirlo en un plasma cargado, un proceso llamado "ionización, "o descomposición del plasma. La corriente también crea un campo magnético que se combina con el campo producido por los imanes que rodean el tokamak para embotellar y controlar el plasma, permitiendo calentar el calentamiento para producir reacciones de fusión.

Eliminando el solenoide

Por el contrario, el proceso CHI transitorio informado en Physics of Plasmas produce la corriente eléctrica crucial con electrodos colocados cerca de la parte inferior o superior del tokamak, eliminando el solenoide devorador de espacio. "En lo que nos enfocamos principalmente fue en la etapa inicial de formación del plasma, "dijo el físico Kenneth Hammond del Instituto Max Planck de Física del Plasma, el autor principal del artículo que hizo una investigación sobre CHI como estudiante graduado de la Universidad de Columbia en PPPL y se une al laboratorio este verano. "Esto ayudó a pintar una imagen más completa de cómo funcionan las descargas de CHI".

El CHI transitorio, llamado así porque los electrodos que producen la corriente de lanzamiento de plasma funcionan brevemente en lugar de continuamente, se desarrolló por primera vez en experimentos con el pequeño Helicity Injection Torus (HIT-II) en la Universidad de Washington y el National Spherical Torus Experiment más grande. (NSTX) en PPPL antes de su actualización; el proceso también se había modelado en PPPL. Los experimentos que mostró que la CHI transitoria se podía escalar de máquinas más pequeñas a más grandes, motivó el estudio reciente, dijo Roger Raman, un físico de la Universidad de Washington en asignación a largo plazo a PPPL y coautor del artículo.

El estudio encontró que la colocación de electrodos CHI en los experimentos anteriores "podría exhibir una debilidad severa cuando se escala a un reactor, "Dijo Hammond. Luego analizó una configuración de electrodo alternativa similar a la que se usa actualmente en QUEST, un tokamak esférico en Japón. Los hallazgos mostraron que la configuración alternativa podría ampliarse bien en una futura instalación de fusión esférica basada en tokamak diseñada en PPPL. "La buena noticia de este estudio es que las proyecciones de puesta en marcha en dispositivos a gran escala parecen prometedoras, "Dijo Hammond.

Potencial valioso

La técnica CHI tiene un potencial valioso, coincidió Tom Brown, un ingeniero principal de PPPL que ayudó a diseñar el concepto de la futura instalación esférica. "Si tiene éxito, CHI podría proporcionar espacio para componentes interiores que podrían mejorar el rendimiento de los dispositivos esféricos, "Dijo Brown. Sin embargo, él agregó, "Es necesario desarrollar más detalles de ingeniería a nivel experimental que también puedan funcionar dentro de un dispositivo [de demostración] de nivel superior y también en una eventual planta de energía de fusión".

Hasta ahora, los investigadores han probado la escala CHI en simulaciones realizadas en el código de simulación Tokamak, un programa de computadora creado por el físico de PPPL Stephen Jardin que ha modelado plasmas en todo el mundo. Jardín un coautor de la Física de Plasmas reporte, trabajó con Raman para producir la simulación a la que se hace referencia en el documento. "Aunque el CHI nunca se ha probado en un dispositivo a gran escala de reactor, "Hammond dijo, "Somos optimistas de que las mismas relaciones se mantendrán en el tamaño más grande con campos magnéticos más fuertes".

Los experimentos futuros están programados en URANIA, un tokamak esférico sin solenoide en la Universidad de Wisconsin-Madison. Los nuevos experimentos probarán la puesta en marcha del plasma con dos electrodos CHI transitorios operados de forma independiente, una configuración que podría producir una mayor flexibilidad para optimizar el prometedor sistema.