Un equipo de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D dirigido por un físico de William &Mary ha logrado un avance significativo en la comprensión de la física que representa un paso clave hacia la energía de fusión práctica.

La obra, publicado en un artículo de la revista Fusión nuclear , ayuda a explicar mejor la relación entre tres variables:turbulencia del plasma, el transporte de electrones a través del plasma y la densidad de electrones en el núcleo. Debido a que estos factores son elementos clave de la reacción de fusión, Esta comprensión podría mejorar significativamente la capacidad de predecir el rendimiento y la eficiencia de los plasmas de fusión. un paso necesario para lograr plantas comerciales de energía de fusión.

"Sabemos desde hace algún tiempo que existe una relación entre la densidad de electrones del núcleo, colisiones electrón-ión y movimiento de partículas en el plasma, "dijo Saskia Mordijck de William &Mary, quien dirigió el equipo de investigación multiinstitucional en DIII-D. "Desafortunadamente, hasta ahora, la investigación no ha podido desenredar esa relación de los otros componentes que afectan los patrones de densidad de electrones ".

Mordijck, profesor asistente en el Departamento de Física de William &Mary, señala que, además del esfuerzo internacional en DIII-D, W&M ha contribuido a experimentos similares en la Unión Europea.

DIII-D, que General Atomics opera como una instalación de usuario nacional para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía, es la instalación de investigación de fusión magnética más grande del país. Alberga investigadores de más de 100 instituciones de todo el mundo, incluyendo 40 universidades. El corazón de la instalación es un tokamak que utiliza poderosos electroimanes para producir un recipiente magnético en forma de rosquilla para confinar un plasma de fusión. En DIII-D, Se alcanzan habitualmente temperaturas del plasma 10 veces más altas que las del Sol. A temperaturas tan extremadamente altas, Los isótopos de hidrógeno pueden fusionarse y liberar energía.

En un tokamak la potencia de fusión está determinada por la temperatura, densidad plasmática y tiempo de confinamiento. Ganancia de fusión, expresado como el símbolo Q, es la relación entre la potencia de fusión y la potencia de entrada necesaria para mantener la reacción y, por tanto, es un indicador clave de la eficiencia del dispositivo. En Q =1, se ha alcanzado el punto de equilibrio, pero debido a las pérdidas de calor, Los plasmas autosostenidos no se alcanzan hasta aproximadamente Q =5. Los sistemas actuales han alcanzado valores extrapolados de Q =1.2. Se espera que el experimento ITER en construcción en Francia alcance Q =10, pero las plantas comerciales de energía de fusión probablemente necesitarán alcanzar valores de Q aún más altos para ser económicas.

Debido a que la densidad de electrones en el núcleo del plasma es un elemento crítico de la ganancia de fusión, los científicos están desarrollando métodos para lograr mayores densidades de pico. Un enfoque previamente identificado que se muestra prometedor es la reducción de las colisiones entre electrones y iones, un parámetro al que los físicos del plasma se refieren como colisión. Sin embargo, La investigación anterior no pudo establecer la relación exacta entre el pico de densidad y la colisión, ni aislar el efecto de otras características del plasma.

El equipo DIII-D realizó una serie de experimentos en los que solo se varió la colisión del plasma mientras que otros parámetros se mantuvieron constantes. Los resultados demostraron que la baja colisión mejora el pico de densidad de electrones mediante la formación de una barrera interna al movimiento de partículas a través del plasma. que a su vez alteró la turbulencia del plasma. Trabajos anteriores habían sugerido que el efecto podría deberse al calentamiento del plasma por inyección de haz neutro, pero los experimentos muestran que estaba relacionado con el transporte de partículas y la turbulencia.

"Este trabajo mejora sustancialmente la comprensión del comportamiento de los electrones en el núcleo del plasma, que es un área de gran importancia para aumentar la ganancia de fusión, "dijo David Hill, director de DIII-D. "Este es otro paso importante hacia la energía de fusión práctica en los futuros reactores comerciales".