Los investigadores han descubierto que inyectar gránulos de hielo de hidrógeno en lugar de soplar gas hidrógeno mejora el rendimiento de la fusión en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D. que General Atomics opera para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Los estudios realizados por físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del DOE compararon los dos métodos, de cara al combustible que se utilizará en ITER, el experimento internacional de fusión en construcción en Francia.

Mejora la temperatura

Los investigadores demostraron que los gránulos helados de hidrógeno mejoran la temperatura del plasma de fusión en comparación con el método de combustible de gas que ahora se usa normalmente en las instalaciones de fusión en forma de rosquilla llamadas tokamaks. Las temperaturas más altas son beneficiosas para las reacciones de fusión. Los resultados de DIII-D son alentadores para ITER, que planea utilizar la inyección de pellets para alimentar su núcleo interno caliente.

Fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado de la materia que consta de núcleos atómicos cargados positivamente y electrones cargados negativamente, para crear cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para una seguridad, Suministro de energía limpia y prácticamente inagotable para generar electricidad.

Un desafío para producir energía de fusión es cómo introducir hidrógeno frío en el núcleo de plasma caliente. El sol tiene todo el hidrógeno que necesita durante miles de millones de años, pero los reactores de fusión de la Tierra deben alimentar constantemente el plasma con hidrógeno para sustentar las reacciones de fusión. Soplar gas a temperatura ambiente es la forma más común de inyectar hidrógeno en los experimentos actuales.

Más grande y más caliente

Sin embargo, A medida que los reactores de fusión se hacen más grandes y calientes, será más difícil para el gas penetrar en el núcleo del reactor donde tienen lugar las reacciones de fusión. Por tanto, es necesario desarrollar nuevos métodos para alimentar el núcleo de fusión sin degradar el rendimiento del plasma.

El esfuerzo de investigación conjunto sobre DIII-D comparó los dos métodos de abastecimiento de combustible en plasmas de alto rendimiento previstos para el ITER. Los experimentos revelaron una presión de plasma significativamente más alta, una clave para las reacciones de fusión, usando hielo de hidrógeno en comparación con la inyección de gas cuando la tasa de abastecimiento de combustible coincide aproximadamente de manera uniforme entre los dos métodos.

"El abastecimiento de combustible juega un papel importante en el rendimiento del plasma de borde, "dijo Andrew" Oak "Nelson, estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de la Universidad de Princeton y primer autor del artículo de Fusión Nuclear que describe estos resultados. Nelson es parte de un equipo multiinstitucional que diseñó y ejecutó cuidadosamente los experimentos.

Científicos de ORNL

La tecnología para inyectar los gránulos de hielo fue desarrollada por científicos de ORNL. La interpretación de los resultados experimentales requiere sofisticados instrumentos científicos desarrollados por múltiples instituciones colaboradoras en DIII-D. "Es fantástico ver cómo nuestro esfuerzo multiinstitucional se unió para abordar esta importante cuestión de abastecimiento de combustible para el ITER y los futuros reactores, "dijo Morgan Shafer, científico investigador principal de ORNL y coautor del artículo.

La investigación también demuestra cómo los estudiantes graduados pueden hacer contribuciones importantes a la energía de fusión trabajando en estas grandes instalaciones de investigación nacionales. "Para un estudiante de posgrado desempeñar un papel importante en este estudio experimental sobre DIII-D es impresionante, "dijo Egemen Kolemen, un físico de PPPL y de la Universidad de Princeton que fue asesor del proyecto. "El éxito de Oak muestra cómo los grandes experimentos de fusión brindan importantes oportunidades de liderazgo para los estudiantes y los científicos que inician su carrera".