Aprovechar la energía del plasma requiere una comprensión precisa de su comportamiento durante la fusión para mantenerlo caliente, denso y estable. Un nuevo modelo teórico sobre el borde de un plasma, que puede volverse inestable y abultarse, acerca la perspectiva de la energía de fusión comercial a la realidad.
"El modelo perfecciona la idea de estabilizar el borde del plasma para diferentes formas de tokamak", dijo Jason Parisi, físico investigador del PPPL. Parisi es el autor principal de tres artículos que describen el modelo y que se publicaron en las revistas Nuclear Fusion. y Física del Plasma . El artículo principal se centra en una parte del plasma llamada pedestal, que se encuentra en el borde. El pedestal es propenso a sufrir inestabilidades porque la temperatura y la presión del plasma a menudo caen bruscamente en esta área.
El nuevo modelo es digno de mención porque es el primero en igualar los comportamientos del pedestal que se observaron en el Experimento Nacional de Toro Esférico (NSTX) del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Mientras que los tokamaks convencionales tienen forma de rosquilla, el NSTX es uno de varios tokamaks que tienen forma más bien de manzana sin corazón. La diferencia en las proporciones del tokamak impacta en el plasma y, como indica el modelo, en el pedestal.
Parisi, junto con un equipo de científicos, exploró los límites de los pedestales e investigó cuánta presión se podía aplicar al plasma dentro de un reactor de fusión antes de que aparecieran inestabilidades. En particular, estudiaron las perturbaciones en el pedestal llamadas inestabilidades de globo:protuberancias de plasma que sobresalen, como el extremo de un globo largo cuando se aprieta.
"El modelo es una extensión de un modelo que la gente ha utilizado en el campo durante quizás 10 años, pero hicimos el cálculo de la estabilidad del globo mucho más sofisticado", dijo Parisi.
Para desarrollar su modelo, los científicos observaron la relación entre las medidas del pedestal (alto y ancho) y las inestabilidades crecientes. Parisi dijo que el nuevo modelo encajaba en el primer intento. "Me sorprendió lo bien que funciona. Intentamos descomponer el modelo para asegurarnos de que fuera preciso, pero se ajusta muy bien a los datos", afirmó.
Se sabía que el modelo existente, conocido como EPED, funcionaba con tokamaks con forma de rosquilla, pero no con la variedad esférica. "Decidimos intentarlo y con sólo cambiar una parte del EPED ahora funciona muy bien", dijo Parisi. Los resultados también brindan a los investigadores una imagen más clara del contraste entre los dos diseños de tokamak.
"Ciertamente existe una gran diferencia entre el límite de estabilidad para la forma de manzana y el tokamak de forma estándar, y nuestro modelo ahora puede explicar de alguna manera por qué existe esa diferencia", dijo. Los hallazgos podrían ayudar a minimizar las alteraciones del plasma.
Los tokamaks están diseñados para intensificar la presión y la temperatura del plasma, pero las inestabilidades pueden frustrar esos esfuerzos. Si el plasma sobresale y toca las paredes del reactor, por ejemplo, puede erosionar las paredes con el tiempo.
Las inestabilidades también pueden irradiar energía fuera del plasma. Saber qué tan empinado puede ser un pedestal antes de que ocurran inestabilidades podría ayudar a los investigadores a encontrar formas de optimizar los plasmas para reacciones de fusión basadas en las proporciones del tokamak.
Si bien añadió que aún no está claro qué forma es más ventajosa, el modelo sugiere otros experimentos que intentarían explotar los aspectos positivos de la forma de la manzana y ver cuánto beneficio podrían proporcionar.
Fundamentalmente, el nuevo modelo mejora nuestra comprensión de los pedestales y acerca a los científicos al logro del objetivo mayor de diseñar un reactor de fusión que genere más energía de la que consuma.
El segundo artículo de Parisi en la serie explora qué tan bien se alinea el modelo EPED con la altura y el ancho del pedestal para diferentes formas de plasma.
"La presión de fusión de su núcleo, y por lo tanto su potencia, es muy sensible a la altura de su pedestal. Por eso, si tuviéramos que explorar diferentes formas para futuros dispositivos de fusión, definitivamente queremos asegurarnos de que nuestras predicciones funcionen", dijo. .
Parisi comenzó con datos antiguos de descargas experimentales en NSTX y luego modificó la forma del borde del plasma. Descubrió que cambiar la forma tenía un efecto muy grande en la relación ancho-alto del pedestal. Además, Parisi descubrió que algunas formas podrían conducir a varios pedestales posibles, particularmente en tokamaks con forma de NSTX y su descendiente, que actualmente se está actualizando, NSTX-U. Esto permitiría a quienes practican tiro de fusión elegir entre, por ejemplo, un pedestal empinado o poco profundo.
"Cuando a la gente se le ocurrieron estos modelos de pedestal, intentaban predecir el ancho y la altura del pedestal porque puede cambiar mucho la cantidad de energía de fusión generada, y queremos ser precisos", dijo Parisi. "Pero la forma en que se construyen los modelos actualmente sólo tiene en cuenta la estabilidad del plasma".
La calefacción y el combustible son otros factores importantes que explora el tercer artículo de Parisi. Específicamente, Parisi observó ciertos pedestales y determinó la cantidad de calentamiento y combustible necesarios para lograrlos dada una forma de plasma particular. Por ejemplo, un pedestal empinado normalmente requiere mucho más calentamiento que un pedestal poco profundo.
El artículo también considera cómo un flujo cizallado, que ocurre cuando partículas adyacentes se mueven a diferentes velocidades de flujo, puede afectar la altura y el ancho del pedestal. Experimentos anteriores en NSTX encontraron que cuando parte del interior del recipiente estaba recubierto de litio y el corte del flujo era fuerte, el pedestal se volvía de tres a cuatro veces más ancho que cuando no se agregaba litio.
"Parece que esto permitirá que el pedestal siga creciendo", afirmó Parisi. "Si pudieras tener un plasma en un tokamak que fuera todo un pedestal, y si los gradientes fueran realmente pronunciados, obtendrías una presión central realmente alta y un poder de fusión realmente alto".
Comprender las variables implicadas en la obtención de un plasma estable y de alta potencia acerca a los investigadores a su objetivo final de comercializar la energía de fusión.
"Estos tres artículos son realmente importantes para comprender la física de los tokamaks esféricos y cómo la presión del plasma se organiza en esta estructura donde aumenta bruscamente en el borde y mantiene una alta presión en el núcleo. Si no entendemos ese proceso, no podremos". "No podemos proyectar con confianza a dispositivos futuros, y este trabajo contribuye en gran medida a lograr esa confianza", afirmó el subdirector de investigación de NSTX-U y coautor de los artículos, Jack Berkery.
