Fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, produce cantidades masivas de energía. Los científicos aquí en la Tierra buscan replicar este proceso, que fusiona elementos ligeros en forma de calor, plasma cargado compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, para crear un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad en lo que podría llamarse una "estrella en un frasco".

Un enigma de larga data en el esfuerzo por capturar el poder de fusión en la Tierra es cómo disminuir o eliminar una inestabilidad común que ocurre en el plasma llamados modos localizados de borde (ELM). Así como el sol libera enormes ráfagas de energía en forma de erupciones solares, para que ráfagas de ELM en forma de llamaradas puedan estrellarse contra las paredes de los tokamaks en forma de rosquilla que albergan reacciones de fusión, potencialmente dañando las paredes del reactor.

Las ondas controlan nuevas ráfagas

Para controlar estas ráfagas, Los científicos alteran el plasma con pequeñas ondas magnéticas llamadas perturbaciones magnéticas resonantes (RMP) que distorsionan la suavidad, forma de rosquilla del plasma:libera el exceso de presión que reduce o evita que se produzcan ELM. La parte difícil es producir la cantidad justa de esta distorsión 3-D para eliminar los ELM sin desencadenar otras inestabilidades y liberar demasiada energía que, En el peor de los casos, puede conducir a una alteración importante que interrumpe el plasma.

Lo que hace que la tarea sea excepcionalmente difícil es el hecho de que se puede aplicar al plasma un número prácticamente ilimitado de distorsiones magnéticas. haciendo que encontrar precisamente el tipo correcto de distorsión sea un desafío extraordinario. Pero ya no.

El físico Jong-Kyu Park del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), trabajando con un equipo de colaboradores de los Estados Unidos y el Instituto Nacional de Investigación de Fusión (NFRI) en Corea, han predicho con éxito todo el conjunto de distorsiones tridimensionales beneficiosas para controlar los ELM sin crear más problemas. Los investigadores validaron estas predicciones en la instalación Coreana de Investigación Avanzada de Tokamak Superconductores (KSTAR), uno de los tokamaks superconductores más avanzados del mundo, ubicado en Daejeon, Corea del Sur.

KSTAR ideal para pruebas

KSTAR fue ideal para probar las predicciones debido a sus controles magnéticos avanzados para generar distorsiones precisas en el casi perfecto, simetría en forma de rosquilla del plasma. Identificar las distorsiones más beneficiosas. que equivalen a menos del uno por ciento de todas las posibles distorsiones que podrían producirse dentro de KSTAR, hubiera sido virtualmente imposible sin el modelo predictivo desarrollado por el equipo de investigación.

El resultado fue un logro que sentó un precedente. "Mostramos por primera vez la ventana operativa de campo 3-D completa en un tokamak para suprimir los ELM sin provocar inestabilidades del núcleo o degradar excesivamente el confinamiento, "dijo Park, cuyo artículo, escrito con 14 coautores de Estados Unidos y Corea del Sur, se publica en Física de la naturaleza . "Durante mucho tiempo pensamos que sería demasiado difícil computacionalmente identificar todos los campos beneficiosos que rompen la simetría, pero nuestro trabajo ahora demuestra un procedimiento simple para identificar el conjunto de todas esas configuraciones ".

Los investigadores redujeron la complejidad de los cálculos cuando se dieron cuenta de que la cantidad de formas en que el plasma puede distorsionar es en realidad mucho menor que el rango de posibles campos tridimensionales que se pueden aplicar al plasma. Trabajando al revés, desde distorsiones a campos 3-D, los autores calcularon los campos más efectivos para eliminar los ELM. Los experimentos de KSTAR confirmaron las predicciones con notable precisión.

Los hallazgos brindan nueva confianza

Los hallazgos en KSTAR brindan una nueva confianza en la capacidad de predecir campos óptimos en 3D para ITER, el tokamak internacional en construcción en Francia, que planea emplear imanes especiales para producir distorsiones 3-D para controlar ELM. Dicho control será vital para ITER, cuyo objetivo es producir 10 veces más energía de la que se necesita para calentar el plasma. Dichos autores del artículo, "El método y el principio adoptado en este estudio pueden mejorar sustancialmente la eficiencia y fidelidad del complicado proceso de optimización 3D en tokamaks".