Los científicos han encontrado una forma novedosa de evitar que las molestas burbujas magnéticas en el plasma interfieran con las reacciones de fusión, lo que ofrece una forma potencial de mejorar el rendimiento de los dispositivos de energía de fusión. Y proviene de la gestión de ondas de radiofrecuencia (RF) para estabilizar las burbujas magnéticas, que pueden expandirse y crear interrupciones que pueden limitar el rendimiento del ITER, la instalación internacional en construcción en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión.

Islas magnéticas

Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han desarrollado el nuevo modelo para controlar estas burbujas magnéticas, o islas. El nuevo método modifica la técnica estándar de depositar constantemente rayos de radio (RF) en el plasma para estabilizar las islas, una técnica que resulta ineficaz cuando el ancho de una isla es pequeño en comparación con el tamaño característico de la región sobre la que se depositan los rayos de RF. su poder.

Esta región denota la "longitud de amortiguación, "el área sobre la que normalmente se depositaría la potencia de RF en ausencia de retroalimentación no lineal. La eficacia de la potencia de RF puede reducirse en gran medida cuando el tamaño de la región es mayor que el ancho de la isla, una condición llamada" baja -amortiguación ", ya que gran parte de la energía se escapa de la isla.

Tokamaks, instalaciones de fusión en forma de rosquilla que pueden experimentar tales problemas, son los dispositivos más utilizados por científicos de todo el mundo que buscan producir y controlar reacciones de fusión para proporcionar un suministro prácticamente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad. Tales reacciones combinan elementos ligeros en forma de plasma, el estado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que constituyen el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía que impulsan el sol y las estrellas.

Superando el problema

El nuevo modelo predice que depositar los rayos en pulsos en lugar de corrientes de estado estacionario puede superar el problema de las fugas. dijo Suying Jin, estudiante de posgrado en el Programa de Princeton en Física del Plasma con sede en PPPL y autor principal de un artículo que describe el método en Física de Plasmas . "Pulsar también puede lograr una mayor estabilización en casos de alta amortiguación para la misma potencia promedio, " ella dijo.

Para que este proceso funcione, "la pulsación debe realizarse a un ritmo que no sea ni demasiado rápido ni demasiado lento, ", dijo." Este punto óptimo debe ser coherente con la velocidad a la que el calor se disipa de la isla a través de la difusión ".

El nuevo modelo se basa en trabajos anteriores de los coautores y asesores de Jin, Allan Reiman, un investigador distinguido en PPPL, y el profesor Nat Fisch, director del Programa de Física del Plasma en la Universidad de Princeton y director asociado de asuntos académicos en PPPL. Su investigación proporciona el marco no lineal para el estudio de la deposición de potencia de RF para estabilizar islas magnéticas.

"La importancia del trabajo de Suying, "Reiman dijo, "es que amplía considerablemente las herramientas que pueden utilizarse en lo que ahora se reconoce como quizás el problema clave al que se enfrenta la fusión económica utilizando el enfoque tokamak. Los Tokamaks están plagados de estas islas inestables y que surgen naturalmente, que conducen a una pérdida repentina y desastrosa del plasma ".

Fisch agregó:"El trabajo de Suying no solo sugiere nuevas metodologías de control; su identificación de estos efectos recién predichos puede obligarnos a reevaluar los hallazgos experimentales pasados ​​en los que estos efectos podrían haber jugado un papel poco apreciado. Su trabajo ahora motiva experimentos específicos que podrían aclarar los mecanismos en juego y señalan exactamente la mejor manera de controlar estas desastrosas inestabilidades ".

Modelo original

El modelo original de deposición de RF mostró que eleva la temperatura e impulsa la corriente en el centro de una isla para evitar que crezca. Luego, la retroalimentación no lineal se activa entre la deposición de energía y los cambios en la temperatura de la isla, lo que permite una estabilización mucho mejor. El gobierno de estos cambios de temperatura es la difusión de calor del plasma en el borde de la isla.

Sin embargo, en regímenes de alta amortiguación, donde la longitud de amortiguación es menor que el tamaño de la isla, este mismo efecto no lineal puede crear un problema llamado "sombreado" durante la deposición en estado estable que hace que el rayo de RF se quede sin energía antes de llegar al centro de la isla.

"Primero analizamos los esquemas de RF pulsada para resolver el problema del sombreado, Jin dijo. Sin embargo, Resultó que en los regímenes de alta amortiguación la retroalimentación no lineal en realidad hace que el pulso exacerbe el sombreado, y el rayo se queda sin energía incluso antes. Así que le dimos la vuelta al problema y descubrimos que el efecto no lineal puede provocar pulsaciones para reducir la fuga de energía de la isla en escenarios de baja amortiguación ".

Estas tendencias predichas se prestan naturalmente a la verificación experimental, Dijo Jin. "Tales experimentos, "ella anotó, "tendría como objetivo mostrar que la pulsación aumenta la temperatura de una isla hasta que se alcanza la estabilización óptima del plasma".