Crear calor a partir de reacciones de fusión requiere manipular cuidadosamente las propiedades del plasma, el cuarto estado de la materia cargado eléctricamente que constituye el 99% del universo visible.

Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han terminado de construir un nuevo instrumento de medición de plasma, o diagnóstico, que podría ayudar en ese esfuerzo, ayudando a aumentar el calor de las reacciones de fusión en instalaciones conocidas como tokamaks y mejorar potencialmente la producción de energía de futuras plantas de energía de fusión.

Conocido como ALPACA, el diagnóstico observa la luz emitida por un halo de átomos neutros que rodean el plasma dentro de DIII-D, un dispositivo con forma de rosquilla conocido como tokamak operado para el DOE por General Atomics en San Diego.

Al estudiar esta luz, los científicos pueden obtener información sobre la densidad de los átomos neutros que podría ayudarles a mantener el plasma caliente y aumentar la cantidad de energía generada por las reacciones de fusión. Científicos de todo el mundo están intentando aprovechar en la Tierra las reacciones de fusión que impulsan a las estrellas para generar electricidad sin producir gases de efecto invernadero ni residuos radiactivos de larga duración.

ALPACA ayuda a los científicos a estudiar un proceso conocido como abastecimiento de combustible. Durante este proceso, las nubes de átomos neutros de diferentes densidades alrededor del plasma se rompen en electrones e iones y entran al plasma.

"Estamos interesados ​​en el combustible porque la densidad del átomo neutro puede aumentar la densidad de las partículas de plasma, y ​​la densidad del plasma afecta el número de reacciones de fusión", dijo Laszlo Horvath, físico de PPPL estacionado en DIII-D que ayudó a coordinar el montaje y la instalación de ALPACA. P>

"Si podemos aumentar la densidad del plasma, entonces podremos tener más reacciones de fusión, que generarán más energía de fusión. Eso es exactamente lo que queremos tener en futuras plantas de energía de fusión".

Los átomos de hidrógeno involucrados en este tipo de abastecimiento de combustible provienen de tres fuentes. El primero son las bocanadas originales de gas hidrógeno que los científicos utilizaron para iniciar el plasma. El segundo es la combinación de electrones y núcleos en las regiones más frías de la cámara para formar átomos completos. El tercero es la fuga de átomos de hidrógeno del material que forma las superficies internas de la cámara, donde a veces quedan atrapados durante las operaciones del tokamak.

Similar a una cámara estenopeica, ALPACA, de casi dos pies de largo, recolecta luz de plasma que tiene una propiedad específica conocida como longitud de onda Lyman-alfa. Los investigadores pueden calcular la densidad de los átomos neutros midiendo el brillo de la luz.

Anteriormente, los científicos habían inferido la densidad a partir de mediciones tomadas con otros instrumentos, pero los datos habían sido difíciles de interpretar. ALPACA es uno de los primeros diagnósticos diseñados específicamente para recolectar luz de plasma en la frecuencia Lyman-alfa, por lo que sus datos son mucho más claros.

Los científicos quieren aumentar su comprensión sobre el abastecimiento de combustible para poder controlarlo. Con control sobre el abastecimiento de combustible, los científicos podrían hacer que las reacciones de fusión en los tokamaks sean más eficientes y aumentar la cantidad de calor que producen.

El aumento de calor es importante porque cuanto más caliente esté el plasma, más electricidad podría generar una central eléctrica basada en un tokamak. Este proyecto es otro ejemplo de la experiencia de clase mundial de PPPL en ingeniería y diagnóstico de plasma.

ALPACA es en realidad uno de un par de diagnósticos. Su gemelo se llama "LLAMA", que significa "aparato de medición Lyman-alfa". Los dos diagnósticos se complementan en que mientras LLAMA observa las regiones internas y externas de la parte inferior del tokamak, ALPACA observa las regiones internas y externas de la parte superior.

"Necesitamos ambos dispositivos porque, aunque sabemos que los átomos neutros rodean el plasma, el número de átomos neutros varía de un lugar a otro, por lo que no sabemos exactamente dónde se acumulan", dijo Alessandro Bortolon, físico investigador principal del PPPL que dirige el Colaboración de PPPL con la Instalación Nacional de Fusión DIII-D de General Atomics en San Diego.

"Por eso, y porque no podemos extrapolar a partir de mediciones únicas, tenemos que medir en múltiples ubicaciones".

Como todos los diagnósticos, ALPACA tiene un propósito crucial. "Cuando realizamos experimentos en máquinas como DIII-D, necesitamos entender qué sucede dentro del dispositivo, especialmente si queremos aumentar su rendimiento", afirmó Horvath.

"Pero como el plasma está a 100 millones de grados Celsius, no podemos usar simplemente un termómetro de horno ni nada convencional. Simplemente se derretirían. Los diagnósticos nos dan conocimiento sobre lo que de otro modo sería una caja negra".

El diseño de ALPACA incorporó la impresión 3D, una técnica que permitió la integración de una cámara hueca dentro de la columna estructural principal para los conductos de refrigeración. "No habría manera de mecanizar esta pieza de otra manera", dijo David Mauzey, estudiante de último año de la Universidad Estatal de San Diego y asociado técnico de PPPL. Mauzey también dirigió los aspectos de ingeniería mecánica del proyecto ALPACA.

"Éste es el primer gran proyecto en el que me he encargado de la mayor parte de la ingeniería mecánica", afirmó Mauzey. "Hubo desafíos, como determinar la posición de los componentes ópticos, por ejemplo, pero el proceso fue divertido".

ALPACA fue diseñado y construido únicamente por PPPL, aunque el sistema completo, compuesto por ALPACA y LLAMA, será operado por PPPL y el Instituto de Tecnología de Massachusetts en colaboración. También hicieron importantes contribuciones Alexander Nagy, subdirector de investigación externa DIII-D de PPPL, y Florian Laggner, profesor asistente de ingeniería nuclear en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

Actualmente se está probando ALPACA. Una vez que DIII-D reanude sus operaciones este mes después de un período de mantenimiento, ALPACA comenzará a tomar mediciones reales.

Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton