El núcleo de un reactor de fusión está increíblemente caliente. El hidrógeno que inevitablemente se escapa de él debe enfriarse en su camino hacia la pared, como de otra manera, la pared del reactor se dañaría. Investigadores del instituto holandés DIFFER y el Swiss Plasma Center de EPFL han desarrollado un método estricto de medición y control para el enfriamiento de partículas muy calientes que escapan de los plasmas de fusión.

La energía de fusión es una fuente de energía sostenible prometedora. En un reactor de fusión, El plasma de hidrógeno extremadamente caliente se mantiene suspendido por campos magnéticos. Sin embargo, siempre hay una fracción que se escapa. Para evitar que dañe la vasija del reactor, el hidrógeno que se escapa debe enfriarse en su camino hacia la pared.

El enfriamiento se puede lograr de varias maneras, como inyectando un gas. "Pero si inyecta demasiado gas adicional, el plasma se enfría demasiado, lo que reduce el rendimiento, "dice Christian Theiler (Swiss Plasma Center, EPFL), coautor de un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Por tanto, es necesario gestionar constantemente la refrigeración hasta el punto de que el reactor pueda hacer frente adecuadamente. Matthijs van Berkel (DIFFER):"La capacidad de controlar el enfriamiento con precisión se establece explícitamente en el programa europeo de fusión (EUROfusion) como un paso necesario hacia la energía de fusión. Es fantástico que podamos contribuir a esto ahora". En Comunicaciones de la naturaleza , los autores describen cómo enfriar las partículas que escapan de una manera rápida y controlada con un innovador sistema de control de retroalimentación. Los experimentos se han llevado a cabo en el tokamak TCV, una máquina de investigación de fusión en el Swiss Plasma Center de la EPFL.

"Vamos de estudiar a controlar. Esto es vital para el futuro de los reactores de fusión, "dice el primer autor Timo Ravensbergen (DIFFER)." Medimos, calcular, y control con una velocidad increíble ".

Un sistema cerrado

El hidrógeno que se escapa se lleva a través del escape del reactor ". Ese escape se llama desviador, donde se capturan las pérdidas de calor del plasma. El proceso de enfriamiento fuerte en las proximidades del desviador se denomina desprendimiento del desviador. Reduce la temperatura y la presión del plasma cerca de la pared. Los físicos de fusión ya tienen mucha experiencia con este proceso, pero esto se basa en parte en la intuición y en las experiencias de mediciones anteriores. Ahora las cosas se harán de otra manera. "Hemos desarrollado un sistema cerrado, "dice Van Berkel, líder del grupo Energy Systems &Control. "Hemos combinado muchas técnicas diferentes, eso es lo que lo hace único. Nuestro enfoque de ingeniería de sistemas se puede aplicar a otros reactores de fusión. "Los experimentos son una prueba de principio. Van Berkel cree que el método será, con ajustes, aplicable en los grandes reactores de fusión ITER y DEMO.

Paso a paso

Los investigadores utilizaron el sistema de cámara MANTIS del TCV tokamak para esta investigación. Este sistema de imágenes Tokamak de banda estrecha multiespectral avanzado fue desarrollado por DIFFER, EPFL y MIT. Los investigadores adaptaron el sistema de tal manera que las imágenes de la cámara se convirtieron en datos a partir de los cuales un modelo de computadora podría calcular en tiempo real el enfriamiento óptimo en diferentes condiciones. Todo esto tuvo lugar con considerable precisión:el estado del plasma se determina 800 veces por segundo.

Un nuevo algoritmo de procesamiento de imágenes en tiempo real, desarrollado en DIFFER, analiza las imágenes MANTIS. El algoritmo calcula cuánto necesita enfriar, y posteriormente controla las válvulas de gas automáticamente. Finalmente, los investigadores produjeron un modelo del sistema analizando, una vez más con la cámara, cómo responde el plasma al gas introducido. "Con este modelo, determinamos la relación dinámica entre el control de la válvula de gas y el frente de calor, "dice Van Berkel.

Resultado rápido:probado en el tokamak TCV de EPFL

El sistema fue probado en el tokamak TCV. "Es un dispositivo muy flexible, donde las ideas se pueden desarrollar y probar con bastante rapidez, "enfatiza Theiler. Van Berkel está de acuerdo:" TCV es una máquina fantástica para probar técnicas de control, con un sistema de control en tiempo real hipermoderno ". Van Berkel dice que los resultados llegaron rápido:" En solo cuatro experimentos, logramos lograr un control de retroalimentación del plasma cerca del desviador. Esto demuestra que nuestro enfoque sistemático funciona ".

Investigación futura

Ya se ha preparado una propuesta de investigación de seguimiento. Los investigadores utilizaron solo una cámara MANTIS, mientras que el sistema tiene diez. Los investigadores también quieren usar las otras cámaras, para que puedan controlar el proceso con mayor precisión, y para controlar procesos clave adicionales en el desviador.

Fusión:gran potencial energético

Fusión, la reacción nuclear que impulsa al sol, tiene un alto potencial energético, es seguro y respetuoso con el medio ambiente. La investigación en este campo está impulsada por el reactor internacional ITER. Mientras se ensambla la gigantesca máquina de investigación en Francia, Científicos de todo el mundo están trabajando en los próximos pasos:producir reacciones de fusión a gran escala en su interior. La fusión ocurre cuando los núcleos de átomos de luz se calientan a cien millones de grados, formando un gas de partículas cargadas llamado plasma.