Sorprendente atractivo del obstáculo para el desarrollo de energía segura, limpia y libre de carbono

Los científicos han descubierto el notable impacto de revertir un método estándar para combatir un obstáculo clave para producir energía de fusión en la Tierra. Los teóricos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han propuesto hacer exactamente lo contrario del procedimiento prescrito para mejorar drásticamente los resultados futuros.

Rasgando agujeros en plasma

El problema, llamado «modos de desgarro bloqueados», ocurre en todos los tokamaks actuales, instalaciones magnéticas en forma de rosquilla diseñadas para crear y controlar el poder de fusión virtualmente ilimitado que impulsa al sol y las estrellas. Los modos causados ​​por la inestabilidad giran con el plasma cargado y caliente, el cuarto estado de la materia compuesto por electrones libres y núcleos atómicos que alimentan las reacciones de fusión, y generan agujeros llamados islas en el campo magnético que confina el gas, lo que permite la fuga del calor clave. .

Estas islas crecen cuando los modos dejan de girar y se fijan en su lugar, una tasa de crecimiento que aumenta la pérdida de calor, reduce el rendimiento del plasma y puede causar interrupciones que permiten que la energía almacenada en el plasma golpee y dañe las paredes internas del tokamak. Para evitar tales riesgos, los investigadores ahora envían microondas al plasma para estabilizar los modos antes de que puedan bloquearse.

Sin embargo, los hallazgos de PPPL sugieren fuertemente que los investigadores estabilicen los modos en tokamaks grandes de próxima generación después de que se hayan bloqueado. En los tokamaks de hoy, «estos modos se bloquean más rápido de lo que la gente había pensado y se vuelve mucho más difícil estabilizarlos mientras todavía están girando», dijo Richard Nies, estudiante de doctorado en el Programa de Física de Plasma de Princeton y autor principal de un Fusión nuclear artículo que expone los sorprendentes hallazgos.

Otro inconveniente, agregó, es que «estas microondas aumentan su ancho al refractarse en el plasma, lo que hace que la estabilización del modo mientras gira sea aún menos eficiente hoy en día, y este problema se ha exacerbado en los últimos años».

Junto con estos problemas está el hecho de que en grandes tokamaks futuros como ITER, la instalación internacional en construcción en el sur de Francia, «el plasma es tan grande que la rotación es mucho más lenta y estos modos se bloquean bastante rápido cuando aún son bastante pequeños». ”, dijo Nies. «Por lo tanto, será mucho más eficiente cambiar el paquete de estabilización en los grandes futuros tokamaks y dejar que primero los bloqueen y luego los estabilicen».

Esa inversión podría facilitar el proceso de fusión, que los científicos de todo el mundo buscan reproducir. El proceso combina elementos ligeros en forma de plasma para liberar grandes cantidades de energía. «Esto proporciona una forma diferente de ver las cosas y podría ser una forma mucho más efectiva de abordar el problema», dijo Allan Reiman, un distinguido investigador y coautor del artículo. «La gente debería tomarse más en serio la posibilidad de permitir que las islas se bloqueen», dijo Reiman.

Cerca de interrumpir

Es poco probable que la técnica recomendada funcione en los tokamaks de hoy en día porque las islas de modo de desgarro crecen tan rápido y son tan grandes cuando se bloquean en estas instalaciones que el plasma está a punto de romperse una vez que se ha bloqueado. Es por eso que los investigadores ahora deben usar grandes cantidades de energía para estabilizar los modos a costa de limitar la producción de fusión. Por el contrario, el lento crecimiento de las islas en los tokamaks de próxima generación «deja un largo camino por recorrer antes de que haya una interrupción, por lo que hay mucho tiempo para estabilizar el modo», dijo Nies.

Una vez que los modos en los futuros tokamaks estén fijados en su lugar, las microondas pueden apuntar directamente a ellos en lugar de estabilizarlos solo cuando giran más allá del haz de microondas en las instalaciones actuales. “Estos cálculos teóricos muestran la eficiencia de lo que estamos proponiendo”, señaló Nies.

Lo que ahora se necesita son experimentos para probar el curso de acción propuesto, dijo. «No nos gustaría activar ITER y solo entonces descubrir qué estrategia funciona. Existe una oportunidad real de explorar la física que abordamos en los dispositivos actuales».