Todos los esfuerzos para replicar en las instalaciones de fusión de tokamak la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas deben hacer frente a un problema constante:estallidos de calor transitorios que pueden detener las reacciones de fusión y dañar los tokamaks en forma de rosquilla. Estas ráfagas llamados modos localizados de borde (ELM), ocurrir en el borde de caliente, gas de plasma cargado cuando se pone en marcha para alimentar las reacciones de fusión.

Para evitar tales explosiones, los investigadores de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, que General Atomics (GA) opera para el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), anteriormente fue pionero en un enfoque que inyecta pequeñas ondas de campos magnéticos en el plasma para hacer que el calor se escape de manera controlable. Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del DOE han desarrollado un esquema de control para optimizar los niveles de estos campos para un rendimiento máximo sin ELM.

Camino para suprimir los ELM

La investigación, dirigido por el físico de PPPL Florian Laggner y financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, desarrolló el esquema en DIII-D en San Diego. Laggner dijo que el método junto con investigadores de GA y otras instituciones colaboradoras, revela un camino para suprimir los ELM y maximizar el poder de fusión en ITER, el tokamak internacional en construcción en Francia que está diseñado para demostrar la practicidad de la energía de fusión. "Mostramos un camino a seguir, una forma en que se puede hacer, "dijo Laggner, autor principal de un artículo que informa los hallazgos en Fusión nuclear .

La fusión alimenta el sol y las estrellas mediante la combinación de elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que constituye el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía. Los científicos de todo el mundo buscan aprovechar la fusión para obtener un suministro prácticamente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad.

La técnica demostrada utiliza la capacidad ampliada del sistema de control de plasma DIII-D para abordar el conflicto inherente entre optimizar la energía de fusión y controlar los ELM. El esquema se centra en el "pedestal, " el delgado, capa densa de plasma cerca del borde del tokamak que aumenta la presión del plasma y, por lo tanto, el poder de fusión. Sin embargo, si el pedestal crece demasiado, puede crear ráfagas de calor ELM colapsando repentinamente.

Entonces, la clave es controlar la altura del pedestal para maximizar el poder de fusión y, al mismo tiempo, evitar que la capa se vuelva tan alta que active los ELM. La combinación requiere un control en tiempo real del proceso. "No se puede preprogramar un esquema constante de antemano, dado que las condiciones del plasma y la pared pueden evolucionar, "dijo Egemen Kolemen, profesor asistente de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Universidad de Princeton y físico de PPPL que supervisó el proyecto. "El control debe proporcionar ajustes en tiempo real".

Supresión estable de ELM

El sistema desarrollado creó la supresión de ELM en la amplitud mínima, o tamaño, de la perturbación magnética. Redujo aún más la amplitud para permitir la recuperación parcial del confinamiento perdido durante el proceso, logrando así tanto una supresión de ELM estable como un alto rendimiento de fusión.

"Laggner y sus colegas han reunido un impresionante conjunto de herramientas de control para regular la estabilidad del plasma de núcleo y borde en tiempo real, "dijo el físico de GA Carlos Paz-Soldan, coautor del artículo. "Es probable que sea necesario algún tipo de control adaptativo como las técnicas pioneras en este trabajo para regular la estabilidad del borde del plasma en ITER".

Si bien la instalación internacional no aplicará simplemente el sistema de control desarrollado por PPPL y GA, debe crear su propio método para hacer frente a los ELM. En efecto, "Los esquemas de control activo permitirán un funcionamiento seguro con una ganancia [de fusión] maximizada en dispositivos futuros como ITER, ", dijeron los autores. Además, ellos agregaron, La implementación de dicho esquema en DIII-D proporciona una prueba de principio y "guía el desarrollo futuro".