¿Cuál es la conexión entre el boro, un elemento en un limpiador doméstico común, y los tokamaks, instalaciones de fusión en forma de anillo que calientan el combustible a temperaturas de millones de grados? Científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han llevado a cabo una investigación que muestra que un cuentagotas de polvo desarrollado por PPPL puede colocar con éxito polvo de boro en plasma de alta temperatura dentro de tokamaks que tienen partes hechas de un material resistente al calor. conocido como tungsteno. Los científicos quieren confirmar que pueden usar este proceso para aplicar boro a las piezas de tungsteno porque las paredes desnudas de tungsteno pueden dañar el rendimiento del plasma si el plasma daña el tungsteno.

Debido a su alto punto de fusión, el tungsteno se usa cada vez más en tokamaks para ayudar a los componentes a soportar el intenso calor del proceso de fusión. El boro protege parcialmente al tungsteno del plasma y evita que el tungsteno se filtre al plasma; también absorbe cualquier elemento extraviado como el oxígeno que pueda estar en el plasma de otras fuentes. Estas impurezas no deseadas podrían enfriar el plasma y extinguir las reacciones de fusión.

"Necesitamos una forma de depositar recubrimientos de boro sin apagar el campo magnético de los tokamaks, y eso es lo que nos permite hacer el cuentagotas de polvo", dijo Grant Bodner, investigador postdoctoral en PPPL y autor principal del artículo de investigación que informa sobre el da como resultado Fusión nuclear . La investigación se realizó utilizando W Environment en Steady-State Tokamak (WEST), operado por la Comisión de Energía Atómica de Francia (CEA). "WEST es uno de los pocos entornos de tungsteno completo que puede ayudarnos a probar esta tecnología en pulsos largos", dijo Bodner.

Otra razón por la que los físicos realizaron sus experimentos con WEST es que sus imanes están hechos de material superconductor que aparecerá en los imanes dentro de futuros dispositivos de fusión. Este material conduce la electricidad con poca o ninguna resistencia y produce poco exceso de calor, por lo que los imanes pueden funcionar sin parar durante largos períodos de tiempo, como tendrán que hacer los futuros reactores de fusión. Los imanes crean las fuerzas que restringen el plasma para que pueda fusionarse.

La fusión, el poder que impulsa al sol y las estrellas, combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Los científicos necesitan una forma de reponer los recubrimientos de boro mientras las máquinas están en funcionamiento porque las futuras instalaciones de fusión no podrán apagarse con frecuencia para volver a recubrir. "Echar boro en un tokamak mientras está funcionando es como limpiar tu apartamento mientras haces todas las otras cosas que normalmente haces en él", dijo el científico del CEA Alberto Gallo, quien contribuyó a la investigación. "Es muy útil:significa que no tienes que tomarte más tiempo de tus actividades habituales para hacer la limpieza", dijo.

El dispositivo cuentagotas de polvo está montado en la parte superior del tokamak y utiliza actuadores precisos para mover el material en polvo desde sus depósitos hasta la cámara de vacío del tokamak. Este mecanismo permite a los investigadores establecer con precisión la velocidad y la duración de las gotas de polvo, que en otras instalaciones de fusión pueden incluir otros materiales que aumentan el rendimiento, como el litio. "Debido a esa flexibilidad, el cuentagotas tiene el potencial de ser realmente útil en el futuro", dijo Bodner.

Los investigadores se sorprendieron al descubrir que el boro depositado por el cuentagotas hacía más que acondicionar las superficies internas de tungsteno. "Vimos que cuando arrojamos el polvo, el confinamiento del plasma aumentó, lo que significa que retiene más calor, lo que ayuda al proceso de fusión", dijo Bodner.

El mayor confinamiento fue especialmente útil porque ocurrió sin que el plasma entrara en un estado conocido como modo H (modo de alto confinamiento), en el que el confinamiento mejora pero es más probable que el plasma entre en erupción con lo que se conoce como modos localizados en el borde. o ELM. Estos ELM eliminan el calor del plasma, lo que reduce la eficiencia de las reacciones de fusión y, en ocasiones, daña los componentes internos. "Si podemos usar el cuentagotas para obtener el buen confinamiento del modo H sin ingresar realmente al modo H y arriesgar los ELM, eso sería excelente para los reactores de fusión", dijo Bodner.

En el futuro, los investigadores quieren probar el uso del cuentagotas solo cuando sea necesario para mantener un buen rendimiento del plasma. "Agregar impurezas adicionales, incluso boro, puede reducir la cantidad de poder de fusión que se obtiene porque el plasma se vuelve menos puro", dijo Bodner. "Por lo tanto, tenemos que tratar de usar la menor cantidad de boro que aún pueda producir los efectos que queremos".

Los próximos experimentos se centrarán en la cantidad de boro que recubre realmente las superficies de tungsteno. "Queremos medir estas cantidades para poder realmente cuantificar lo que estamos haciendo y extender estos resultados en el futuro", dijo Bodner. + Explora más

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