Los científicos que trabajan con el Tokamak superconductor avanzado experimental totalmente superconductor (EAST) de China han alcanzado con éxito un “régimen libre de densidad” teorizado durante mucho tiempo en experimentos con plasma de fusión. En esta condición, el plasma permanece estable incluso cuando su concentración excede los límites convencionales. Resultados, publicados Avances de la ciencia El 1 de enero, la energía de fusión arrojó nueva luz sobre cómo finalmente se pueden superar las barreras físicas más obstinadas a la ignición.
La investigación fue codirigida por el profesor Ping Zhu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el profesor asociado Ning Yan del Instituto Hefei de Ciencias Físicas de la Academia de Ciencias de China. Al desarrollar un nuevo procedimiento operativo de alta densidad para EAST, el equipo demostró que las concentraciones plasmáticas pueden llevarse más allá de los límites empíricos de larga duración sin desencadenar las inestabilidades disruptivas que normalmente ponen fin a los experimentos. El hallazgo desafía décadas de suposiciones sobre cómo se comporta el plasma tokamak a altas densidades.
¿Por qué el límite de densidad frena la fusión?
La fusión nuclear se considera ampliamente como una fuente potencial de energía limpia y sostenible. En la fusión de deuterio-tritio, el combustible debe calentarse a unos 13 keV (150 millones de Kelvin) para alcanzar las condiciones óptimas. A tales temperaturas, la cantidad de energía de fusión producida aumenta con el cuadrado de la densidad del plasma. A pesar de estas ventajas, los experimentos con tokamak han estado limitados durante mucho tiempo por límites de alta densidad. Cuando se excede ese límite, el plasma a menudo se vuelve inestable, lo que altera el confinamiento y amenaza el funcionamiento del dispositivo. Esta inestabilidad ha sido un obstáculo importante para mejorar el rendimiento de la fusión.
Un nuevo marco teórico conocido como autoorganización de la pared de plasma (PWSO) ofrece una explicación diferente de por qué se forman los límites de densidad. El concepto fue propuesto por primera vez por DF Escande et al. del Centro Nacional Francés de Investigación Científica y de la Universidad de Aix-Marsella. Según la teoría PWSO, puede surgir un régimen libre de concentración cuando la interacción entre el plasma y las paredes metálicas del reactor alcanza un estado cuidadosamente equilibrado. En este régimen, la pulverización física juega un papel dominante en la configuración del comportamiento del plasma.
Los experimentos EAST proporcionaron la primera confirmación experimental de este concepto teórico. Los investigadores controlaron cuidadosamente la presión inicial del gas combustible y aplicaron calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico durante la fase de inicio de cada descarga. Esta técnica permite optimizar la interacción plasma-pared desde el principio. Como resultado, la generación de impurezas y la pérdida de energía se reducen considerablemente, lo que permite que la densidad del plasma siga aumentando al final del arranque. En estas condiciones, EAST entró con éxito en el régimen libre de concentración previsto por PWSO, donde se mantuvo un funcionamiento estable incluso en concentraciones que excedían los límites empíricos.
Implicaciones para la ignición por fusión
Estos resultados experimentales proporcionan una nueva visión física sobre cómo se pueden romper las antiguas barreras de densidad en la operación tokamak en pos de la ignición por fusión.
“Los hallazgos sugieren una ruta práctica y escalable para aumentar el límite de densidad en los tokamaks y los dispositivos de fusión de plasma de próxima generación”, dijo el profesor Zhu.
Asociado profesional. Yan añadió que el equipo planea aplicar el mismo método durante operaciones de alto confinamiento en EAST en un futuro próximo, con el objetivo de alcanzar el régimen libre de densidad en condiciones de plasma de alto rendimiento.
