En su búsqueda continua por desarrollar una variedad de métodos para gestionar el plasma de modo que pueda usarse para generar electricidad en un proceso conocido como fusión, investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado cómo dos viejos Los métodos se pueden combinar para proporcionar una mayor flexibilidad.
Si bien los dos métodos, conocidos como accionamiento de corriente de ciclotrón de electrones (ECCD) y aplicación de perturbaciones magnéticas resonantes (RMP), se han estudiado durante mucho tiempo, esta es la primera vez que los investigadores simulan cómo se pueden usar juntos para brindar un mejor control del plasma.
"Esta es una idea nueva", dijo Qiming Hu, físico investigador del personal de PPPL y autor principal de un nuevo artículo publicado en Fusión nuclear sobre el trabajo, que también ha sido demostrado experimentalmente. "Aún se están descubriendo todas las capacidades, pero nuestro artículo hace un gran trabajo al mejorar nuestra comprensión de los beneficios potenciales".
En última instancia, los científicos esperan utilizar la fusión para generar electricidad. En primer lugar, deberán superar varios obstáculos, incluido el perfeccionamiento de métodos para minimizar las ráfagas de partículas del plasma que se conocen como modos localizados en el borde (ELM).
“Periódicamente, estas ráfagas liberan un poco de presión porque es demasiada. Pero estas explosiones pueden ser peligrosas”, dijo Hu, que trabaja para PPPL en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios del DOE alojada por General Atomics. DIII-D es un tokamak, un dispositivo que utiliza campos magnéticos para confinar un plasma de fusión en forma de rosquilla. Los ELM pueden poner fin a una reacción de fusión e incluso dañar el tokamak, por lo que los investigadores han desarrollado muchas formas de intentar evitarlos.
"La mejor manera que hemos encontrado para evitarlos es aplicando perturbaciones magnéticas resonantes, o RMP, que generan campos magnéticos adicionales", dijo el físico investigador principal de PPPL, Alessandro Bortolon, uno de los coautores del artículo.
Los campos magnéticos generan islas, las microondas las ajustan
Los campos magnéticos aplicados inicialmente por el tokamak enrollan alrededor del plasma en forma de toro, tanto en el camino largo (alrededor del borde exterior) como en el camino corto (desde el borde exterior y a través del agujero central). Los campos magnéticos adicionales creados por los RMP viajan a través del plasma, entretejiéndose hacia adentro y hacia afuera como la puntada de una alcantarilla. Estos campos producen campos magnéticos ovalados o circulares en el plasma llamados islas magnéticas.
“Normalmente, las islas en los plasmas son realmente malas. Si las islas son demasiado grandes, entonces el propio plasma puede alterarse”.
Sin embargo, los investigadores ya sabían experimentalmente que, en determinadas condiciones, las islas pueden resultar beneficiosas. La parte difícil es generar RMP lo suficientemente grandes como para generar las islas. Ahí es donde entra en juego el ECCD, que es básicamente una inyección de haz de microondas. Los investigadores descubrieron que agregar ECCD al borde del plasma reduce la cantidad de corriente requerida para generar las RMP necesarias para formar las islas.
La inyección del haz de microondas también permitió a los investigadores perfeccionar el tamaño de las islas para lograr la máxima estabilidad del borde del plasma. Metafóricamente, los RMP actúan como un simple interruptor de luz que enciende las islas, mientras que el ECCD actúa como un regulador de intensidad adicional que permite a los investigadores ajustar las islas al tamaño ideal para un plasma manejable.
"Nuestra simulación mejora nuestra comprensión de las interacciones en juego", dijo Hu. “Cuando se añadió el ECCD en la misma dirección que la corriente en el plasma, el ancho de la isla disminuyó y la presión del pedestal aumentó. La aplicación del ECCD en la dirección opuesta produjo resultados opuestos: el ancho de la isla aumentó y la presión del pedestal disminuyó o facilitó la apertura de la isla”.
ECCD en el borde, en lugar del núcleo
La investigación también es notable porque se añadió ECCD al borde del plasma en lugar del núcleo, donde normalmente se usa.
"Por lo general, la gente piensa que aplicar ECCD localizado en el borde del plasma es riesgoso porque las microondas pueden dañar los componentes internos del recipiente", dijo Hu. “Hemos demostrado que es factible y hemos demostrado la flexibilidad del enfoque. Esto podría abrir nuevas vías para diseñar dispositivos futuros”.
Al reducir la cantidad de corriente necesaria para generar los RMP, este trabajo de simulación podría conducir en última instancia a reducir el coste de producción de energía de fusión en los dispositivos de fusión a escala comercial del futuro.