Para reactores de fusión como ITER, las inestabilidades del plasma son un gran desafío. Un equipo de investigación del grupo de fusión nuclear de TU Wien ha encontrado ahora una solución prometedora.
La instalación de investigación ASDEX Upgrade en el Max-Planck-Institute for Plasma Physics en Garching, cerca de Munich, donde se llevaron a cabo los experimentos. Crédito de la imagen: IPP Garching, Helmut Faugel
Las plantas de energía de fusión nuclear algún día podrían proporcionar una solución sostenible a nuestros problemas energéticos, pero hasta la fecha no hay ningún reactor comercial de fusión nuclear en funcionamiento. Para realizar reacciones de fusión, el plasma del centro debe estar muy caliente (alrededor de 100 millones de °C), y al mismo tiempo la pared del reactor no debe fundirse.
Por lo tanto, el borde del plasma debe estar bien aislado de la pared del reactor. En esta región, sin embargo, ocurren con frecuencia inestabilidades de plasma llamadas ELM. Durante tales eventos, las partículas energéticas del plasma pueden golpear la pared del reactor y dañarlo potencialmente. Estas inestabilidades son uno de los obstáculos más importantes en el camino hacia un reactor comercial.
Ahora el equipo de investigación de fusión de TU Wien junto con el Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Garching (Alemania) pudo demostrar: Existe un régimen operativo para los reactores de fusión que evita este problema. En lugar de grandes inestabilidades potencialmente destructivas, uno acepta intencionalmente muchas pequeñas inestabilidades que no representan un problema para las paredes del reactor. Los resultados ya se han publicado en la revista Cartas de revisión física como sugerencia de los editores.
El renacimiento de un modo de operación ignorado
En un reactor de fusión de tokamak toroidal, las partículas de plasma ultracalientes se mueven a altas velocidades. Las potentes bobinas magnéticas aseguran que las partículas permanezcan confinadas en lugar de golpear la pared del reactor con una fuerza destructiva. “Sin embargo, tampoco quieres aislar perfectamente el plasma de la pared del reactor; después de todo, se debe agregar nuevo combustible y se debe eliminar el helio producido durante la fusión”, explica Friedrich Aumayr, profesor de Física de iones y plasma en el Instituto de Física Aplicada de TU Wien en Viena, Austria.
Los detalles de la dinámica dentro del reactor son complicados: el movimiento de las partículas depende de la densidad del plasma, la temperatura y el campo magnético. Dependiendo de cómo se elijan estos parámetros, son posibles diferentes regímenes de funcionamiento. En una colaboración de larga data entre el grupo de Friedrich Aumayr en TU Wien y el grupo IPP Garching coordinado por Elisabeth Wolfrum (líder de grupo en IPP Garching y profesora de TU Viena), ahora se ha desarrollado y demostrado un régimen operativo novedoso para prevenir el plasma particularmente destructivo. inestabilidades denominadas «ELM de tipo I».
Los experimentos ya demostraron hace unos años: si uno deforma ligeramente el plasma a través de las bobinas magnéticas, de modo que la sección transversal del plasma ya no parece elíptica, sino que se asemeja a un triángulo redondeado, y si uno aumenta simultáneamente la densidad del plasma especialmente en el borde, entonces se pueden prevenir los peligrosos ELM Tipo-I.
«Al principio, sin embargo, se pensó que este era un escenario que solo ocurre en máquinas más pequeñas que actualmente funcionan como ASDEX Upgrade (IPP Garching) y es irrelevante para un reactor grande», explica Lidija Radovanovic, quien actualmente está trabajando en su tesis doctoral. sobre este tema en TU Wien. “Sin embargo, con nuevos experimentos y simulaciones, ahora hemos podido demostrar que el régimen puede prevenir inestabilidades peligrosas incluso en los rangos de parámetros previstos para reactores como el ITER”.
Como una olla con tapa
Debido a la forma triangular de la sección transversal del plasma y la inyección controlada de partículas adicionales en el borde del plasma, se producen muchas inestabilidades pequeñas, varios miles de veces por segundo. «Estas pequeñas explosiones de partículas golpean la pared del reactor más rápido de lo que puede calentarse y enfriarse nuevamente», dice Georg Harrer, autor principal del artículo, quien recibió una beca de investigación EUROfusion de dos años de la UE para estudiar más a fondo el nuevo régimen de operación. «Por lo tanto, estas inestabilidades individuales no juegan un papel importante para la pared del reactor». Pero como el equipo ha podido demostrar a través de cálculos de simulación detallados, estas miniinestabilidades evitan las grandes inestabilidades que de otro modo causarían daños.
“Es un poco como una olla con tapa, donde el agua comienza a hervir”, explica Georg Harrer. “Si la presión sigue aumentando, la tapa se levantará y sonará fuertemente debido al escape de vapor. Pero si inclinas la tapa ligeramente, el vapor puede escapar continuamente y la tapa se mantiene estable y no vibra”.
Este régimen de operación del reactor de fusión se puede implementar en una variedad de reactores, no solo en el reactor de actualización ASDEX en Garching, Alemania, sino también en ITER (https://www.iter.org), actualmente en construcción en Francia, o incluso en el futuro MANIFESTACIÓN (https://www.euro-fusion.org/programme/demo/) plantas de fusión. “Nuestro trabajo representa un gran avance en la comprensión de la aparición y prevención de grandes ELM Tipo I”, dice Elisabeth Wolfrum. “El régimen de operación que proponemos es probablemente el escenario más prometedor para futuros plasmas de plantas de energía de fusión”.
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Fuente: TU VIENA
