¿Cuánto combustible podemos añadir al fuego manteniendo el control? Metafóricamente hablando, esa es la pregunta que un equipo del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. se ha estado haciendo últimamente.
Ahora creen que tienen la respuesta para un escenario en particular. Todo forma parte del trabajo del laboratorio para llevar la energía de la fusión a la red eléctrica.
Basándose en hallazgos recientes que muestran la promesa de recubrir la superficie interna del recipiente que contiene un plasma de fusión en litio líquido, los investigadores han determinado la densidad máxima de partículas neutras o sin carga en el borde de un plasma antes de que el borde del plasma se enfríe y ciertas inestabilidades se vuelven impredecibles.
Conocer la densidad máxima de las partículas neutras en el borde de un plasma de fusión es importante porque les da a los investigadores una idea de cómo y cuánto alimentar la reacción de fusión.
La investigación, que aparece en un nuevo artículo en Nuclear Fusion, incluye observaciones, simulaciones numéricas y análisis de sus experimentos dentro de un recipiente de plasma de fusión llamado Experimento Beta Tokamak de Litio (LTX-β).
LTX-β es uno de los muchos recipientes de fusión en todo el mundo que mantienen plasma en forma de rosquilla mediante campos magnéticos. Estos buques se conocen como tokamaks. Lo que hace especial a este tokamak es que sus paredes interiores pueden revestirse, casi por completo, de litio. Esto cambia fundamentalmente el comportamiento de la pared, ya que el litio retiene un porcentaje muy alto de los átomos de hidrógeno que se desprenden del plasma.
Sin el litio, mucho más hidrógeno rebotaría en las paredes y regresaría al plasma. A principios de 2024, el equipo de investigación informó que este entorno de bajo reciclaje de hidrógeno mantiene caliente el borde del plasma, lo que lo hace más estable y proporciona espacio para un mayor volumen de plasma.
"Estamos tratando de demostrar que una pared de litio puede permitir un reactor de fusión más pequeño, lo que se traducirá en una mayor densidad de potencia", dijo Richard Majeski, físico investigador principal de PPPL y director de LTX-β. En última instancia, esta investigación podría traducirse en la fuente de energía de fusión rentable que el mundo necesita.
Ahora, el equipo LTX-β ha publicado hallazgos adicionales que muestran la relación entre el combustible del plasma y su estabilidad. Específicamente, los investigadores encontraron la densidad máxima de partículas neutras en el borde del plasma dentro de LTX-β antes de que el borde comience a enfriarse, lo que podría provocar problemas de estabilidad.
Los investigadores creen que pueden reducir la probabilidad de ciertas inestabilidades manteniendo la densidad en el borde del plasma por debajo de su nivel recién definido de 1 x 10 19 m –3 . Esta es la primera vez que se establece un nivel de este tipo para LTX-β, y saber que es un gran paso en su misión de demostrar que el litio es la opción ideal para un revestimiento de pared interior en un tokamak porque los guía hacia las mejores prácticas. para alimentar sus plasmas.
En LTX-β, la fusión se alimenta de dos maneras:utilizando bocanadas de gas hidrógeno desde el borde y un haz de partículas neutras. Los investigadores están perfeccionando cómo utilizar ambos métodos en conjunto para crear un plasma óptimo que sostenga la fusión durante mucho tiempo en futuros reactores de fusión y al mismo tiempo genere suficiente energía para que sea práctico para la red eléctrica.
Los físicos suelen comparar la temperatura en su borde con la temperatura central para evaluar qué tan fácil será controlarlo. Dibujan estos números en una gráfica y consideran la pendiente de la recta. Si la temperatura en el núcleo interior y en el borde exterior es casi la misma, la línea es casi plana, por eso lo llaman perfil de temperatura plano. Si la temperatura en el borde exterior es significativamente más baja que la temperatura en el núcleo interior, los científicos lo llaman perfil de temperatura máxima.
"El equipo determinó la densidad máxima de partículas neutras más allá del borde de un plasma que aún permite un perfil de temperatura de borde plano. Ir más allá de esa cantidad de partículas neutras en el borde definitivamente reducirá la temperatura del borde y terminará en un perfil de temperatura máxima", afirmó Santanu Banerjee, físico investigador del PPPL y autor principal del nuevo artículo.
"Esa misma densidad neutra es el umbral para las inestabilidades conocidas como modos de desgarro. Más allá de esa densidad, los modos de desgarro tienden a desestabilizarse, causar amenazas al plasma y pueden detener la reacción de fusión si no se controlan".
Si las inestabilidades se vuelven demasiado grandes, la reacción de fusión terminará. Para respaldar la red eléctrica, los investigadores están descubriendo las mejores formas de gestionar un plasma de fusión para que la reacción sea estable.
Banerjee y Majeski trabajaron con varios otros investigadores en el artículo, incluidos Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta y Ron Bell de PPPL.
El trabajo en el proyecto continúa. El ingeniero de PPPL, Dylan Corl, está optimizando la dirección en la que se inyecta en el tokamak el haz neutro, que se utiliza para calentar el plasma. "Básicamente estamos creando un nuevo puerto para ello", dijo Corl. Utiliza un modelo 3D del LTX-β, probando diferentes trayectorias del haz para garantizar que el haz no golpee otra parte del equipo, como las herramientas utilizadas para medir el plasma. "Encontrar el mejor ángulo ha sido un desafío, pero creo que ahora lo tenemos", dijo Corl.
Más información: Santanu Banerjee et al, Investigando el papel de los bordes neutrales en la excitante actividad del modo de desgarro y logrando perfiles de temperatura planos en LTX-β, Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca7
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
