Un equipo internacional de investigadores ha descubierto una forma de controlar el tamaño de las inestabilidades en el plasma de los reactores de fusión. Las grandes inestabilidades pueden dañar un reactor, mientras que las pequeñas inestabilidades podrían resultar útiles para eliminar el helio residual del plasma. Por lo tanto, el descubrimiento podría proporcionar una guía importante para la operación de reactores de fusión a gran escala.
La fusión de núcleos de hidrógeno en un plasma confinado magnéticamente podría generar grandes cantidades de energía respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, controlar el plasma supercaliente sigue siendo un desafío importante.
En los reactores tokamak con forma de rosquilla más utilizados en los experimentos de fusión actuales, el plasma está confinado por fuertes campos magnéticos. Esto genera fuertes gradientes de presión entre el borde del plasma y las paredes del reactor. Si el gradiente de presión en el borde es demasiado grande, puede provocar inestabilidades denominadas modos localizados en el borde (ELM). Éstos emiten ráfagas de partículas y energía que pueden causar graves daños a las paredes del reactor.
Este último estudio fue dirigido por Jorge Harrer en la Universidad Técnica de Viena. Para estudiar las condiciones que crean los ELM, el equipo llevó a cabo experimentos en el tokamak ASDEX Upgrade en el Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania.
Aumento de la densidad del plasma
Descubrieron que los ELM grandes se pueden evitar aumentando la densidad del plasma, lo que da como resultado ELM más pequeños que ocurren con mayor frecuencia. Además de causar menos daño, los ELM pequeños podrían ayudar a eliminar el helio residual del plasma.
El resultado récord de JET y la búsqueda de la energía de fusión
El equipo también descubrió que a altas densidades de plasma, la aparición de ELM se puede controlar ajustando la topología de las líneas de campo magnético que limitan el plasma. En un tokamak, estas líneas de campo se enrollan helicoidalmente alrededor del plasma, lo que significa que las fuerzas que imparten alternan en la dirección relativa a los gradientes de presión. En algunas regiones del plasma, las fuerzas trabajan contra la inestabilidad mientras que en otras regiones las fuerzas fomentan la inestabilidad. Esta compensación se puede caracterizar por un umbral de inestabilidad, que define el gradiente de presión mínimo necesario para crear ELM.
Harrer y sus colegas descubrieron que aumentar el devanado helicoidal del campo magnético aumentaba el umbral de inestabilidad y, por lo tanto, reducía la producción de ELM. Además, el aumento de la cizalladura magnética en el borde del plasma condujo a un mayor umbral de inestabilidad. El corte magnético es el ángulo entre dos líneas de campo magnético que se cruzan.
El uso de un plasma con un gran gradiente de presión aumenta la ganancia de energía de fusión de un reactor de fusión, con la compensación de un mayor riesgo de daño ELM. Sin embargo, los ELM pequeños podrían resultar útiles para expulsar el helio residual. Como resultado, estos fenómenos deben equilibrarse finamente para optimizar el funcionamiento de los futuros reactores de fusión. Esta última investigación proporciona información importante sobre cómo se podría hacer eso.
El equipo reporta sus hallazgos en Physical Review Letters.
