Estelaradores, dispositivos magnéticos retorcidos que tienen como objetivo aprovechar en la Tierra la energía de fusión que alimenta el sol y las estrellas, Durante mucho tiempo han jugado un papel secundario en las instalaciones en forma de rosquilla más utilizadas conocidas como tokamaks. Los complejos imanes estelares retorcidos han sido difíciles de diseñar y anteriormente permitían una mayor fuga del calor superalto de las reacciones de fusión.

Ahora, los científicos del Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP), trabajando en colaboración con investigadores que incluyen el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), han demostrado que el dispositivo Wendelstein 7-X (W7-X) en Greifswald, Alemania, el estellarador más grande y avanzado del mundo, es capaz de confinar el calor que alcanza temperaturas dos veces mayores que el núcleo del sol.

Llave indicadora

Un instrumento de diagnóstico llamado XICS, principalmente diseñado, construido y operado por el físico de PPPL Novimir Pablant en colaboración con el físico de IPP Andreas Langenberg, es un indicador clave de una fuerte reducción de un tipo de pérdida de calor llamado "transporte neoclásico" que históricamente ha sido mayor en los estelaradores clásicos que en los tokamaks. Las frecuentes colisiones que causan el molesto transporte hacen que las partículas calientes salgan de sus órbitas mientras giran alrededor de las líneas del campo magnético que las confinan. Contribuyendo al transporte están las desviaciones en las órbitas de las partículas.

Un informe reciente sobre los hallazgos de W7-X en Naturaleza La revista confirma el éxito de los esfuerzos de los diseñadores para dar forma a los imanes estelares intrincadamente retorcidos para reducir el transporte neoclásico. El primer autor del artículo fue el físico Craig Beidler de la División de Teoría de IPP. "Es una noticia realmente emocionante para la fusión que este diseño haya tenido éxito, "dijo Pablant, coautor junto con Langenberg del artículo. "Muestra claramente que se puede realizar este tipo de optimización".

David Gates, jefe del Departamento de Proyectos Avanzados de PPPL que supervisa el trabajo de esterilización del laboratorio, también estaba muy entusiasmado. "Ha sido muy emocionante para nosotros, en PPPL y todas las demás instituciones colaboradoras de EE. UU., para ser parte de este experimento realmente emocionante, "Dijo Gates." El trabajo de Novi ha estado justo en el centro del esfuerzo de este increíble equipo experimental. Estoy muy agradecido a nuestros colegas alemanes por permitirnos tan amablemente nuestra participación ".

Energía libre de carbono

La fusión que los científicos buscan producir combina elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, o iones, que constituye el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía. La producción de fusión controlada en la Tierra crearía un suministro prácticamente inagotable de limpio, y una fuente de energía libre de carbono para generar electricidad para la humanidad y contribuir de manera importante a la transición de los combustibles fósiles.

Estelaradores, construido por primera vez en la década de 1950 bajo el fundador de PPPL, Lyman Spitzer, puede funcionar en un estado estable con poco riesgo de las alteraciones del plasma que enfrentan los tokamaks. Sin embargo, su complejidad y la historia de un confinamiento de calor relativamente pobre los ha frenado. Uno de los principales objetivos del diseño optimizado de W7-X, que produjo su primer plasma en 2015, ha sido demostrar la idoneidad de un stellarator optimizado como una eventual planta de energía de fusión.

Los resultados obtenidos por el XICS demuestran temperaturas de iones calientes que no se podrían haber logrado sin una fuerte reducción en el transporte neoclásico. Estas mediciones también fueron realizadas por el diagnóstico CXRS construido y operado por IPP, que se pensaba que eran un poco más precisos, pero no se podían realizar en todas las condiciones. Los perfiles de temperatura final en el Naturaleza Los informes se tomaron de CXRS y se apoyaron en mediciones con XICS en plasmas similares.

'Extremadamente valioso'

"Sin el XICS probablemente no hubiéramos descubierto este régimen [de buen confinamiento], "dijo Robert Wolf, jefe de la división de calefacción y funcionamiento de W7-X y coautor del artículo. "Necesitábamos una medición de temperatura de iones fácilmente disponible y esto era extremadamente valioso".

Los investigadores llevaron a cabo un experimento mental para comprobar el papel que desempeñaba la optimización en los resultados del confinamiento. El experimento descubrió que en un estelarizador no optimizado, un gran transporte neoclásico habría hecho imposibles las altas temperaturas registradas en W7-X para la potencia de calefacción dada. "Esto mostró que la forma optimizada de W7-X redujo el transporte neoclásico y era necesaria para el rendimiento visto en los experimentos de W7-X, ", Dijo Pablant." Fue una forma de mostrar la importancia de la optimización ".

Los resultados marcan un paso hacia la habilitación de estelaradores basados ​​en el diseño W7-X para conducir a un reactor de fusión práctico, añadió. "Pero reducir el transporte neoclásico no es lo único que tiene que hacer. Hay un montón de otros objetivos que deben mostrarse, incluyendo el funcionamiento estable y la reducción del transporte turbulento. ”Produciendo transporte turbulento son las ondas y los remolinos que atraviesan el plasma como la segunda fuente principal de pérdida de calor.

El W7-X reabrirá en 2022 luego de una actualización de tres años para instalar un sistema de refrigeración por agua que alargará los experimentos de fusión y un desviador mejorado que agotará el calor de alto rendimiento. Las actualizaciones permitirán el siguiente paso en la investigación de los investigadores de W7-X sobre la idoneidad de los estelaradores optimizados para convertirse en modelos para plantas de energía.