En el arte japonés Kintsugi, un artista toma los fragmentos rotos de un cuenco y los vuelve a fusionar con oro para crear un producto final más hermoso que el original.
Esa idea está inspirando un nuevo enfoque para gestionar el plasma, el estado supercaliente de la materia, para utilizarlo como fuente de energía. Los científicos están utilizando las imperfecciones de los campos magnéticos que limitan una reacción para mejorar y realzar el plasma en un enfoque descrito en un artículo publicado en la revista Nature Communications. .
"Este enfoque permite mantener un plasma de alto rendimiento, controlando las inestabilidades en el núcleo y el borde del plasma simultáneamente. Ese control simultáneo es particularmente importante y difícil de realizar. Eso es lo que hace que este trabajo sea especial", dijo Joseph Snipes del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Es subdirector del Departamento de Ciencias Experimentales de Tokamak de PPPL y fue coautor del artículo.
El físico de PPPL, Seong-Moo Yang, dirigió el equipo de investigación, que abarca varias instituciones de EE. UU. y Corea del Sur. Yang dice que esta es la primera vez que un equipo de investigación valida un enfoque sistemático para adaptar las imperfecciones del campo magnético para hacer que el plasma sea adecuado para su uso como fuente de energía. Estas imperfecciones del campo magnético se conocen como campos de error.
"Nuestro novedoso método identifica correcciones óptimas del campo de error, mejorando la estabilidad del plasma", dijo Yang. "Se ha demostrado que este método mejora la estabilidad del plasma en diferentes condiciones, por ejemplo, cuando el plasma se encuentra en condiciones de confinamiento magnético alto y bajo".
Los campos de error suelen ser causados por defectos minúsculos en las bobinas magnéticas del dispositivo que contiene el plasma, que se llama tokamak. Hasta ahora, los campos de error sólo se consideraban una molestia porque incluso un campo de error muy pequeño podría provocar una alteración del plasma que detuviera las reacciones de fusión y dañara las paredes de un recipiente de fusión. En consecuencia, los investigadores de la fusión han dedicado mucho tiempo y esfuerzo a encontrar meticulosamente formas de corregir los campos de error.
"Es bastante difícil eliminar los campos de error existentes, por lo que en lugar de corregir estas irregularidades de la bobina, podemos aplicar campos magnéticos adicionales que rodean el recipiente de fusión en un proceso conocido como corrección de campo de error", dijo Yang.
En el pasado, este enfoque también habría dañado el núcleo del plasma, haciéndolo inadecuado para la generación de energía de fusión. Esta vez, los investigadores pudieron eliminar las inestabilidades en el borde del plasma y mantener la estabilidad del núcleo. La investigación es un excelente ejemplo de cómo los investigadores de PPPL están cerrando la brecha entre la tecnología de fusión actual y lo que se necesitará para llevar la energía de fusión a la red eléctrica.
"Esta es en realidad una forma muy efectiva de romper la simetría del sistema, para que los humanos puedan degradar intencionalmente el confinamiento. Es como hacer un agujero muy pequeño en un globo para que no explote", dijo SangKyeun Kim, investigador científico del personal. en PPPL y coautor del artículo. Así como el aire se escaparía por un pequeño agujero en un globo, una pequeña cantidad de plasma se escaparía del campo de error, lo que ayuda a mantener su estabilidad general.
Una de las partes más difíciles de gestionar una reacción de fusión es conseguir que tanto el núcleo como el borde del plasma se comporten al mismo tiempo. Hay zonas ideales para la temperatura y densidad del plasma en ambas regiones y alcanzar esos objetivos mientras se eliminan las inestabilidades es difícil.
Este estudio demuestra que ajustar los campos de error puede estabilizar simultáneamente tanto el núcleo como el borde del plasma. Al controlar cuidadosamente los campos magnéticos producidos por las bobinas del tokamak, los investigadores pudieron suprimir las inestabilidades de los bordes, también conocidas como modos localizados en los bordes (ELM), sin causar interrupciones ni una pérdida sustancial de confinamiento.
"Estamos tratando de proteger el dispositivo", dijo el físico investigador de PPPL, Qiming Hu, autor del artículo.
La investigación se realizó utilizando el tokamak KSTAR en Corea del Sur, que destaca por su capacidad para ajustar la configuración de su campo de error magnético con gran flexibilidad. Esta capacidad es crucial para experimentar con diferentes configuraciones de campo de error para encontrar las más efectivas para estabilizar el plasma.
Los investigadores dicen que su enfoque tiene implicaciones significativas para el diseño de futuras plantas piloto de fusión tokamak, haciéndolas potencialmente más eficientes y confiables. Actualmente están trabajando en una versión de inteligencia artificial (IA) de su sistema de control para hacerlo más eficiente.
"Estos modelos son bastante complejos; requieren un poco de tiempo para calcularlos. Pero cuando quieres hacer algo en un sistema de control en tiempo real, sólo puedes permitirte unos pocos milisegundos para hacer un cálculo", dijo Snipes. "Con la IA, básicamente se puede enseñar al sistema qué esperar y poder utilizar esa inteligencia artificial para predecir de antemano qué será necesario para controlar el plasma y cómo implementarlo en tiempo real".
Si bien su nuevo artículo destaca el trabajo realizado utilizando las bobinas magnéticas internas de KSTAR, Hu sugiere que futuras investigaciones con bobinas magnéticas fuera del recipiente de fusión serían valiosas porque la comunidad de fusión se está alejando de la idea de alojar dichas bobinas dentro del recipiente sellado al vacío debido a la posible destrucción de dichos componentes debido al calor extremo del plasma.
Más información: SeongMoo Yang et al, Adaptación de los campos de error del tokamak para controlar las inestabilidades y el transporte del plasma, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45454-1
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
