Nuevos resultados experimentales sugieren que rociar boro en un tokamak puede proteger las paredes del recipiente de fusión y evitar que los átomos escapen al plasma. Un nuevo marco de modelado por computadora muestra que es posible que sea necesario rociar polvo de boro desde un solo lugar. Los resultados experimentales y el marco de modelado por computadora se presentarán esta semana en la 66ª reunión anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en Atlanta.
Los investigadores de fusión recurren cada vez más al elemento tungsteno cuando buscan un material ideal para componentes que se encontrarán directamente con el plasma dentro de los reactores de fusión conocidos como tokamaks y estelaradores. Pero bajo el intenso calor del plasma de fusión, los átomos de tungsteno pueden desprenderse de la pared y entrar en el plasma. Demasiado tungsteno en el plasma lo enfriará considerablemente, lo que hará muy difícil mantener la reacción de fusión. Ahora, investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han informado resultados experimentales de que rociar polvo de boro en el tokamak podría resolver el problema.
El boro protege parcialmente la pared del reactor del plasma y evita que los átomos entren al plasma desde la pared. Un nuevo marco de modelado por computadora, dirigido por investigadores de PPPL, muestra que es posible que sea necesario rociar el polvo desde un solo lugar. Los resultados experimentales y el marco de modelado por computadora se presentarán esta semana en la 66ª reunión anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física en Atlanta.
Joseph Snipes, subdirector de Ciencias Experimentales de Tokamak, se muestra optimista sobre el sistema de inyección de boro sólido basándose en experimentos que demostraron una disminución en las erupciones de tungsteno después de la inyección de boro sólido. Los experimentos se llevaron a cabo en tres tokamaks con paredes de tungsteno en todo el mundo: uno en Alemania, uno en China y otro en Estados Unidos.
“El borano se pulveriza en el plasma del tokamak en forma de polvo, como el de un salero, que se ioniza en el borde del plasma y luego se deposita en las paredes internas del tokamak y en la región de escape”, dijo. “Una vez recubierto con una fina capa de boro, evitará que el tungsteno entre en el plasma y libere su energía”.
Snipes y sus colegas están trabajando en un sistema de inyección de boro con el objetivo final de utilizarlo potencialmente en el tokamak a escala de reactor de la organización ITER. Para esta tarea es adecuado un sistema de inyección, ya que puede añadir boro mientras la máquina está en funcionamiento. También puede controlar y limitar con precisión la cantidad de boro inyectado. Las capas de boro depositadas retienen el elemento radiactivo tritio, que debe minimizarse en el tokamak del ITER para cumplir con la seguridad nuclear. Al proyecto también contribuyeron científicos e ingenieros del ITER y del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
Florian Effenberg, físico investigador del PPPL, dirigió un proyecto separado para crear un marco de modelado por computadora para el sistema de inyección de boro en el tokamak DIII-D. El marco muestra que rociar polvo de boro desde un solo lugar puede lograr una distribución bastante uniforme de boro entre los componentes del reactor considerados en el dominio de simulación.
“Hemos desarrollado una nueva forma de comprender cómo se comporta el material de boro inyectado en el plasma de fusión y cómo interactúa con las paredes de los reactores de fusión para permitirles funcionar como funcionan”, dijo Effenberg.
El enfoque de los investigadores combina tres modelos informáticos diferentes para crear un nuevo marco y flujo de trabajo. “Un modelo simula el comportamiento del plasma, otro muestra cómo las partículas de polvo de boro se mueven y se vaporizan en el plasma, y el tercero examina cómo las partículas de boro interactúan con las paredes del tokamak, incluyendo cómo se pegan, se desgastan y se mezclan con otras materiales, dijo Effenberg.
“Estos conocimientos son importantes para optimizar las estrategias de inyección de boro para lograr un acondicionamiento eficiente y uniforme de las paredes en el ITER y otros reactores de fusión”, dijo Effenberg.
Si bien el marco de modelado se centró en DIII-D, un tokamak operado por General Atomics en San Diego, el siguiente paso en la investigación implica extender el marco de modelado al ITER. Mientras que las paredes de DIII-D están hechas de carbono, se planea que ITER tenga paredes de tungsteno, por lo que será importante investigar cualquier diferencia en cómo el boro protege las paredes.
Los siguientes investigadores también contribuyeron al trabajo descrito por Snipes: Larry Robert Baylor, Alessandro Bortolon, Florian Effenberg, Erik Gilson, Alberto Loarte, Robert Lunsford, Rajesh Maingi, Steve Meitner, Federico Nespoli, So Maruyama, Alexander Nagy, Zhen Sun. Jeff Ulreich, Tom Wauters. La financiación para este trabajo fue proporcionada por la Organización ITER.
Klaus Schmid, Federico Nespoli y Yühe Feng trabajaron en el marco de modelado descrito por Effenberg en este comunicado. Alessandro Bortolone, Jeremy Lore, Tyler Abrams, Brian Grierson, Rajesh Mengi y Dmitry Rudakov contribuyeron a la aplicación de este marco de modelado. Este trabajo fue financiado con fondos de DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698 y DE-AC05-00OR22725.
