Cómo disciplinar el plasma rebelde

El proceso diseñado para recolectar en la Tierra la energía de fusión que alimenta el sol y las estrellas a veces puede ser engañado. Investigadores del laboratorio de Física del Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han derivado y demostrado un poco de «cuasi-simetría» que podría acelerar el desarrollo de la energía de fusión como una fuente segura, limpia y prácticamente ilimitada de energía para generar electricidad.

Las reacciones de fusión combinan elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que constituyen el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía. Científicos de todo el mundo buscan reproducir el proceso en instalaciones de fusión en forma de rosquilla llamadas tokamaks que calientan el plasma a temperaturas de millones de grados y lo confinan en campos magnéticos simétricos producidos por bobinas para crear reacciones de fusión.

Tema crucial

Un tema crucial para estos esfuerzos es mantener la rápida rotación del plasma en forma de rosquilla que se arremolina dentro de un tokamak. Sin embargo, las pequeñas distorsiones del campo magnético u ondulaciones causadas por la desalineación de las bobinas del campo magnético pueden ralentizar el movimiento del plasma, haciéndolo más inestable. Las desalineaciones de la bobina y las ondas de campo resultantes son pequeñas, tan pequeñas como 1 parte en 10,000 partes del campo, pero pueden tener un impacto significativo.

Mantener la estabilidad en futuros tokamaks como ITER, la instalación internacional que se instala en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión, será esencial para cosechar la energía para generar electricidad. Una forma de minimizar el impacto de las ondas del campo es agregar imanes adicionales para cancelar o curar el efecto de los errores del campo magnético. Sin embargo, las ondas de campo nunca se pueden cancelar por completo y hasta ahora no ha habido un método óptimo para mitigar sus efectos.

El método recién descubierto requiere engañar a las partículas de plasma en remolino cancelando los errores del campo magnético a lo largo del camino que recorren. «Una forma de preservar la rotación mientras se proporciona estabilidad es cambiar la forma del campo magnético para que las partículas se engañen haciéndoles pensar que no se mueven en un campo magnético ondulado», dijo el físico de PPPL Jong-Kyu Park, autor principal de un papel en Cartas de revisión física (PRL) que propone una solución. «Necesitamos hacer que el campo 3D dentro del plasma sea cuasi-simétrico para engañar a las partículas para que se comporten como si no fueran afectadas por los campos», dijo Park.

Cuasi-simetría

La cuasi-simetría, una forma de simetría del campo magnético introducida por los físicos que estudian los retorcidos sistemas de confinamiento magnético llamados estelaradores, se puede utilizar para minimizar los efectos negativos de los campos 3D en los tokamaks. Tal minimización puede mejorar tanto el confinamiento de energía como la estabilidad del plasma mejorando su flujo rotacional.

«Si puede modificar estos campos 3D para reducir la tendencia de las partículas a alejarse de donde comenzaron, entonces podemos mantener la rotación natural del plasma y el confinamiento de partículas y calor», dijo el físico de PPPL Raffi Nazikian, coautor del papel.

Park y sus colegas han demostrado el uso de la cuasi-simetría para hacer casi inofensivas las ondas del campo de error en los tokamaks. Las pruebas en la instalación de fusión nacional DIII-D en General Atomics (GA) en San Diego y la instalación coreana de investigación avanzada de Tokamak Superconducting (KSTAR) en Corea del Sur han mostrado resultados positivos. El proceso «proporciona una ruta confiable de optimización integral del campo de error en plasmas de combustión por fusión», según el documento.

Si bien estas optimizaciones serán vitales, los científicos suelen utilizar ondas de campo magnético para hacer frente a otros problemas. Por ejemplo, en DIII-D, los investigadores han utilizado bobinas especiales para reducir o eliminar los modos localizados en los bordes (ELM): explosivos ráfagas de calor que pueden dañar el interior de los tokamaks.

Ejemplos importantes

Estos casos son el ejemplo más importante del buen uso de las ondas y los nuevos hallazgos marcan un gran avance en el tratamiento de las malas. «Jong-Kyu ha tomado los algoritmos para adaptar los problemáticos campos magnéticos tridimensionales del tokamak a un nuevo nivel», dijo Carlos Paz-Soldan, coautor del artículo como físico DIII-D y ahora profesor asociado en la Universidad de Columbia. . «Este marco sin duda será la base sobre la que se desarrollen futuras estrategias de control para estos campos», dijo Paz-Soldan.

Los científicos también están persiguiendo activamente el concepto de cuasi-simetría para optimizar el diseño de instalaciones de fusión estelar que operan intrínsecamente con campos 3D. El concepto ha demostrado tener éxito en minimizar la pérdida de calor y partículas en los estelaradores, un problema de larga data con las instalaciones en forma de buñuelo que utilizan un conjunto de complejas bobinas retorcidas que forman espirales como rayas en un bastón de caramelo para producir campos magnéticos.

El trabajo de estelarizador ilustra la amplia aplicabilidad de la cuasi-simetría en la investigación de la fusión. El siguiente paso, dijo Park, será aplicar el concepto al ITER, «para que podamos hacer un buen trabajo para corregir los campos de error en ese tokamak».

Los coautores de este artículo incluyen físicos de PPPL, General Atomics y el Instituto Coreano de Energía de Fusión. El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencias del DOE y el Ministerio de Ciencia y TIC de Corea.