Los científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han perfeccionado el uso de campos magnéticos para mejorar el rendimiento de las instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks. La técnica mejorada protege las partes internas del daño por inestabilidades llamadas "modos localizados en el borde" (ELM) y permite que los tokamaks funcionen durante más tiempo sin pausas.

"Nuestro resultado principal es que demostramos que nuestra técnica puede suprimir los ELM al tiempo que maximiza el rendimiento del plasma", dijo Ricardo Shousha, estudiante graduado en el grupo de control de plasma en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Princeton, afiliado a PPPL. Shousha es el autor principal de un artículo que informa los resultados en Physics of Plasmas .

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 investigadores utilizaron la instalación de Investigación Avanzada Tokamak Superconductora de Corea (KSTAR) para estudiar las condiciones bajo las cuales el centro del plasma se vuelve especialmente caliente y denso. Este estado deseable, conocido como modo H, puede ocurrir cuando hay una fuerte separación entre el centro y el borde más frío; los científicos quieren que el plasma esté en modo H porque produce reacciones de fusión más eficientes. Pero debido a que la temperatura y la densidad de las dos regiones son tan drásticamente diferentes, las inestabilidades ELM se forman a lo largo del límite, al igual que las tormentas eléctricas pueden formarse donde se encuentran los frentes frío y caliente. Esas inestabilidades pueden causar chorros que se asemejan a erupciones solares, gigantescos eructos de plasma que brotan de la superficie del sol.

Cuando estos eventos ocurren en tokamaks, pueden dañar las paredes internas y los componentes, lo que requiere que la máquina se apague para repararla. El riesgo es aún mayor para ITER, el tokamak multinacional que se está construyendo en Cadarache, Francia, para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala y libre de carbono, ya que ese dispositivo creará plasma que tiene mucho más calor y energía que los plasmas tokamak actuales sí.

Así que los físicos tienen un dilema. Quieren que el plasma esté en modo H, pero el modo H provoca inestabilidades que podrían dañar el tokamak. Shousha y los otros investigadores se centraron en el uso de campos magnéticos para atenuar las inestabilidades, un método descubierto en 2003. Los campos aplicados reducen las inestabilidades al permitir que las partículas fluyan a través del límite. Pero un efecto secundario es que el plasma se enfría y las reacciones de fusión se vuelven menos eficientes.

El equipo de investigación abordó este problema combinando imanes con un sistema de retroalimentación. La combinación determina el campo magnético más débil que puede suprimir los ELM mientras minimiza cuánto degradan los campos las condiciones del modo H. "Esa es la parte novedosa de nuestra investigación", dijo Shousha.

Los resultados provinieron de la dedicación de los estudiantes graduados junto con una red internacional de investigadores e instituciones. "Ser parte de PPPL y la Universidad de Princeton es una gran oportunidad para los estudiantes de posgrado", dijo Egemen Kolemen, profesor asociado en el departamento de ingeniería aeroespacial y mecánica de la Universidad de Princeton, quien tiene una cita conjunta con PPPL y es coautor del artículo. "Pueden realizar experimentos en cualquier parte del mundo (Estados Unidos, China, Alemania, Corea del Sur) y tienen la oportunidad de controlar estas poderosas máquinas. Y lo hacen muy bien. Mientras tengan la voluntad, tenemos la forma de hacerlo". ."

Los científicos planean refinar su sistema para que pueda detectar señales que anuncian la llegada de los ELM para que los imanes puedan comenzar a prevenirlos antes de que surjan. "La idea es que si podemos detectar estas señales precursoras rápidamente, podemos tomar medidas antes de que aparezca el ELM inminente y potencialmente prevenirlo", dijo Shousha. + Explora más

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