Según investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU., en Oak Ridge, el intenso calor de descarga generado al fusionar plasma en un reactor a escala comercial puede no ser tan dañino para el interior de un barco. como siempre se pensó. Laboratorio Nacional y Organización ITER (ITER).
“Este descubrimiento cambia fundamentalmente la forma en que entendemos cómo el calor y las partículas viajan entre dos regiones críticas en el borde del plasma durante la fusión”, dijo Chong Seok Chang, físico investigador principal de PPPL. Recientemente se publicó en la revista un nuevo artículo que detalla su trabajo. Fisión nucleartras publicaciones anteriores sobre el tema.
Para lograr la fusión, la temperatura dentro del tokamak (el dispositivo con forma de rosquilla que contiene el plasma) debe elevarse a más de 150 millones de grados Celsius. Es 10 veces más caliente que el núcleo del Sol. Es difícil contener material caliente, aunque el plasma se mantiene en gran medida alejado de las superficies internas mediante campos magnéticos. Estos campos confinan la mayor parte del plasma a una región central llamada núcleo, que forma un anillo en forma de rosquilla. Sin embargo, algunas partículas y calor escapan del plasma confinado y atacan los materiales expuestos al plasma. Los nuevos hallazgos de los investigadores de PPPL muestran que las partículas del plasma central dentro de un tokamak chocan con un área del tokamak más grande de lo que se pensaba, lo que reduce en gran medida el riesgo de daños.
Investigaciones anteriores basadas en física y datos experimentales de tokamaks existentes sugirieron que el calor de escape se concentraría en una banda muy estrecha a lo largo de una sección de la pared del tokamak llamada placas desviadoras. Dedicado a eliminar el calor y las partículas emitidas por el plasma en llamas, el desviador es fundamental para el rendimiento del tokamak.
“Si todo este calor llega a esta zona estrecha, esta parte de la placa desviadora se deteriorará muy rápidamente”, dijo Chang, que trabaja en el departamento de teoría PPPL. “Eso podría significar tiempos de inactividad más frecuentes. Incluso si se reemplaza esa parte de la máquina, no sucederá rápidamente”.
Este problema no ha impedido el funcionamiento de los tokamaks existentes, que no son tan potentes como se requeriría para un reactor de fusión a escala comercial. Sin embargo, durante las últimas décadas ha existido la preocupación de que un dispositivo a escala comercial hiciera que el plasma fuera tan denso y caliente que las placas desviadoras pudieran dañarse. Un plan propuesto implicaba agregar impurezas al borde del plasma para disipar la energía del plasma que se escapa, reduciendo la intensidad del calor que golpea el material del desviador, pero Chang dijo que el proyecto aún era un desafío.
Imitando una ruta de escape
Chang decidió estudiar cómo escapaban las partículas y dónde aterrizarían en un dispositivo como ITER, una instalación de fusión multinacional que se está ensamblando en Francia. Para hacer esto, su grupo creó una simulación de plasma utilizando un código de computadora llamado Código girocinético incluido del punto X (XGC). Este código es uno de varios desarrollados y mantenidos por PPPL que se utilizan para la investigación del plasma de fusión.
La simulación mostró cómo las partículas de plasma viajan a través de la superficie del campo magnético, cuyo objetivo era crear un límite que separara el plasma confinado del plasma libre, incluido el plasma en la región del desviador. Esta superficie de campo magnético, generada por los imanes externos, se denomina superficie de confinamiento final. Hace unas décadas, Chang y sus colaboradores descubrieron que partículas cargadas llamadas iones cruzan la barrera y chocan con las placas desviadoras. Más tarde descubrieron que estos iones que se escapaban provocaban que la carga de calor se concentrara en un área muy estrecha de las placas desviadoras.
Hace unos años, Chang y sus compañeros descubrieron que la turbulencia del plasma podría permitir que partículas cargadas negativamente llamadas electrones cruzaran la superficie de confinamiento final y ampliaran la carga de calor en las placas desviadoras del ITER en un factor de 10. Sin embargo, la simulación aún asumió que la superficie de confinamiento final no se vio afectada por la turbulencia del plasma.
“En el nuevo artículo, mostramos que la superficie de confinamiento final se ve fuertemente perturbada por la turbulencia del plasma durante la fusión, incluso cuando no hay perturbaciones debidas a bobinas externas o inestabilidades repentinas del plasma”, dijo Chang be. “No existe una buena superficie de confinamiento final debido a perturbaciones turbulentas y locas de la superficie magnética llamadas ovillos homoclínicos”.
De hecho, dijo Chang, las simulaciones muestran que los electrones conectan el borde del plasma principal con el plasma desviador. La trayectoria de los electrones a medida que siguen la trayectoria de estos enredos homoclínicos amplía la zona de impacto de calor en un 30% más que las estimaciones de ancho anteriores basadas únicamente en la turbulencia. “Esto significa que es aún menos probable que el calor liberado por la inyección de impurezas en el plasma del desviador combinado con el enfriamiento radiativo de los electrones dañe la superficie del desviador. La investigación también muestra que los enredos homoclínicos turbulentos pueden reducir la probabilidad de inestabilidades repentinas. en el borde del plasma, porque debilitan su fuerza motriz.”
“No se debe confiar en los niveles finales de confinamiento en el tokamak”, afirmó Chang. “Pero, irónicamente, mejora la eficiencia de la fusión al reducir el potencial de daño a la superficie del desviador en operación en estado estacionario y al eliminar ráfagas transitorias de energía de plasma debido a inestabilidades repentinas del plasma de borde que pueden aumentar, que son dos preocupaciones que limitan el rendimiento en futuros comerciales. reactores tokamak.”
Esta investigación recibió financiación del Centro de Asociación SciDAC de Ciencias de la Energía de Fusión y de Investigación en Computación Científica Avanzada del DOE para la Simulación de Plasma Límite de Alta Fidelidad bajo el contrato DE-AC02-09CH11466.
