Imagínese un avión que solo puede ascender a una o dos altitudes después de despegar. Esa limitación sería similar a la difícil situación que enfrentan los científicos que buscan evitar inestabilidades que restringen el camino hacia la limpieza, energía de fusión abundante y segura en instalaciones de tokamak en forma de rosquilla. Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) y General Atomics (GA) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han publicado una explicación innovadora de esta restricción de tokamak y cómo se puede superar.

Toroidal, o en forma de rosquilla, Los tokamaks son propensos a intensas explosiones de calor y partículas, llamados modos localizados de borde (ELM). Estos ELM pueden dañar las paredes del reactor y deben controlarse para desarrollar una energía de fusión confiable. Afortunadamente, Los científicos han aprendido a domesticar estos ELM aplicando campos magnéticos ondulados en espiral a la superficie del plasma que alimenta las reacciones de fusión. Sin embargo, la domesticación de los ELM requiere condiciones muy específicas que limitan la flexibilidad operativa de los reactores tokamak.

Supresión de ELM

Ahora, Los investigadores de PPPL y GA han desarrollado un modelo que, por primera vez, reproduce con precisión las condiciones para la supresión de ELM en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que GA opera para DOE. El modelo predice las condiciones bajo las cuales la supresión de ELM debería extenderse sobre una gama más amplia de condiciones operativas en el tokamak de lo que se creía posible anteriormente. El trabajo presenta importantes predicciones sobre cómo optimizar la eficacia de la supresión de ELM en ITER, el dispositivo de fusión internacional masivo en construcción en el sur de Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión.

Fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, combina 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 Tokamaks son los dispositivos más utilizados por los científicos que buscan replicar la fusión como renovable, fuente libre de carbono de energía virtualmente ilimitada para generar electricidad.

Los físicos de PPPL Qiming Hu y Raffi Nazikian son los autores principales de un artículo que describe el modelo en Cartas de revisión física . Señalan que, en condiciones normales, el campo magnético ondulado solo puede suprimir los ELM para valores muy precisos de la corriente de plasma que produce los campos magnéticos que confinan el plasma. Esto crea un problema porque los reactores tokamak deben operar en un amplio rango de corriente de plasma para explorar y optimizar las condiciones requeridas para generar energía de fusión.

Modificación de ondas magnéticas

Los autores muestran cómo, modificando la estructura de las ondas magnéticas helicoidales aplicadas al plasma, Los ELM deben eliminarse en un rango más amplio de corriente de plasma con una generación mejorada de energía de fusión. Hu dijo que cree que los hallazgos podrían proporcionar al ITER la amplia flexibilidad operativa que necesitará para demostrar la viabilidad de la energía de fusión. "Este modelo podría tener implicaciones significativas para la supresión de ELM en ITER, " él dijo.

En efecto, "Lo que hemos hecho es predecir con precisión cuándo podemos lograr la supresión de ELM en rangos más amplios de la corriente de plasma, "dijo Nazikian, que supervisa la investigación de PPPL sobre tokamaks. "Al tratar de comprender algunos resultados extraños que vimos en DIII-D, Descubrimos la física clave que controla el rango de supresión de ELM que se puede lograr utilizando estos campos magnéticos ondulados helicoidalmente. Luego volvimos y descubrimos un método que podría producir ventanas operativas más amplias de supresión de ELM de manera más rutinaria en DIII-D e ITER ".

Operación tokamak mejorada

Los hallazgos abren la puerta a una operación tokamak mejorada. "Este trabajo describe un camino para expandir el espacio operativo para controlar la inestabilidad de los bordes en los tokamaks modificando la estructura de las ondas, "dijo Carlos Paz-Soldan, un científico de GA y coautor del artículo. "Esperamos probar estas predicciones con nuestras bobinas de campo mejoradas que están planificadas para DIII-D dentro de unos años".

Volviendo a la analogía del avión, "Si pudieras volar solo a una o dos altitudes diferentes, los viajes serían muy limitados, "dijo el físico de PPPL Brian Grierson, coautor del artículo. "Arreglar la restricción permitiría al avión volar sobre una amplia gama de altitudes para optimizar su trayectoria de vuelo y cumplir su misión". Del mismo modo, El presente documento presenta un enfoque que se prevé ampliará las capacidades de los reactores de fusión para operar sin ELM que pueden dañar las instalaciones y obstaculizar el desarrollo de tokamaks para la energía de fusión.