Llevar el poder del sol a la Tierra requiere una teoría sólida, buena ingenieria, y un poco de delicadeza. El proceso implica atrapar cargado, gas ultracaliente conocido como plasma, por lo que sus partículas pueden fusionarse y liberar enormes cantidades de energía. Las instalaciones más utilizadas para este proceso son los tokamaks en forma de rosquilla que mantienen el plasma en su lugar con imanes potentes que tienen la forma y la posición precisas. Pero los errores en la configuración o colocación de estos imanes pueden provocar un confinamiento deficiente y pérdida de plasma. apagar las reacciones de fusión.

Ahora, Un grupo internacional de investigadores dirigido por físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de los EE. UU. (DOE) ha desarrollado una técnica que pronostica cómo los tokamaks podrían responder a estos errores magnéticos no deseados. Estos pronósticos podrían ayudar a los ingenieros a diseñar instalaciones de fusión que creen de manera eficiente un suministro prácticamente inagotable de energía de fusión limpia y segura para generar electricidad.

Fusion combina elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, y genera cantidades masivas de energía en las estrellas. Los científicos tienen como objetivo reproducir y controlar este proceso en la Tierra.

El equipo formuló una regla conocida como ley de escala que ayuda a inferir las propiedades de los tokamaks futuros a partir de los dispositivos actuales. La ley se deriva en gran parte de tres años de experimentos en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que General Atomics opera para el DOE en San Diego. Los investigadores también se basaron en una base de datos de efectos de campo de error mantenida por el grupo de Actividad Física Internacional Tokamak del ITER, que coordina la investigación de la fusión en todo el mundo.

Ahora se necesitan datos de dispositivos adicionales con una variedad de tamaños para aumentar la confianza en la extrapolación de la ley de escala para predecir qué tan grandes pueden ser los campos de error antes de interrumpir en ITER. la multinacional tokamak que se está construyendo en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión.

Formación de campos de error

Las irregularidades en la forma o la colocación de los imanes de un tokamak pueden producir campos de error que desencadenan una interrupción en el plasma. provocando que escape repentinamente de los campos magnéticos y libere mucha energía. "La pregunta es qué tan grande es un campo de error que ITER puede tolerar sin interrumpir, "dijo Nikolas Logan, Físico de PPPL y autor principal de un artículo que informa los resultados en Fusión nuclear . "Queremos evitar interrupciones en el ITER porque podrían interferir con las reacciones de fusión y dañar las paredes".

Dado que el ITER está en construcción, los investigadores utilizaron una combinación de dos códigos de computadora para modelar los efectos de los campos de error en plasmas para tokamaks en Corea del Sur, Porcelana, el Reino Unido, y otros países, fortaleciendo los errores hasta que los plasmas se rompieron. Los investigadores esperaban encontrar patrones que les permitieran formular una regla simple que les ayudara a hacer conjeturas sobre futuras interrupciones en los campos de error en los tokamaks que se están construyendo.

Los códigos combinados modelaron el plasma con mayor precisión de lo que cada código individual podría hacerlo por sí solo. El código TM1 desarrollado por el Instituto Max Planck de Física del Plasma de Alemania resuelve ecuaciones que modelan el comportamiento caótico del plasma en formas cilíndricas. mientras que el código de equilibrio ideal perturbado (IPEC) desarrollado en PPPL modela el plasma en forma de tokamak. "Al combinar estos códigos, pudimos simular una amplia gama de condiciones que podrían ocurrir en una variedad de dispositivos, incluido ITER, "dijo el físico de PPPL Qiming Hu, uno de los autores del artículo. "Es importante obtener pronósticos precisos para el ITER porque ninguna máquina actual tiene ese tamaño".

"Este trabajo amplía nuestro conocimiento de los efectos de los campos de error en los dispositivos de fusión, "dijo Raffi Nazikian, jefe del departamento de ITER y Tokamak de PPPL. "La combinación de análisis numérico y experimental proporciona una base convincente para evaluar la importancia de los campos de error en el ITER y los reactores futuros".

Próximos pasos

Logan y Hu esperan recopilar más información de los experimentos de tokamak para hacer que la ley de escala sea más precisa. lo que le permite pronosticar el rendimiento del plasma en las regiones central y de borde del plasma. "Este no es un papel de alarma, ", dijo Logan." Simplemente ayuda a los físicos e ingenieros a saber con qué cuidado deben considerar los posibles campos de error antes de poner mucha potencia en el ITER ".

Los colaboradores incluyeron investigadores de General Atomics, el Instituto de Física del Plasma de la Academia Checa de Ciencias, el Instituto de Física del Plasma de la Academia de Ciencias de China, Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan de Corea, el Culham Center of Fusion Energy del Reino Unido, Consorzio RFX de Italia, Instituto Max Planck de Física del Plasma de Alemania, y el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.