China ha dado un paso crucial hacia la energía de fusión limpia al superar una regla largamente establecida en la física del plasma. Científicos que operan el “sol artificial” del país han demostrado que el plasma puede permanecer estable incluso a densidades muy altas.
Durante muchos años, la alta densidad provocó el fracaso de los experimentos de fusión. Los nuevos resultados ahora muestran una vía para superar esa barrera.
La energía de fusión se produce al unir átomos ligeros, tal como ocurre dentro del Sol. Los científicos esperan que la fusión pueda proporcionar algún día energía limpia e ilimitada.
Lograr este objetivo requiere un plasma que se mantenga caliente, denso y estable durante períodos prolongados.
La densidad siempre ha sido un problema. Una vez que la densidad aumenta demasiado, el plasma suele colapsar. Los nuevos experimentos en el reactor EAST de China muestran que este problema ya no parece insuperable.
La investigación fue liderada por Jiaxing Liu y el Profesor Ping Zhu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y la Universidad de Wisconsin-Madison.
El reactor “sol artificial” de China
El Tokamak Superconductor Avanzado Experimental, conocido como EAST, se encuentra en el Instituto de Física del Plasma de la Academia China de Ciencias en Hefei.
EAST utiliza fuertes campos magnéticos para mantener el plasma en su lugar mientras se calienta a temperaturas extremas.
Las paredes internas, completamente metálicas, están hechas de tungsteno, a diferencia de máquinas más antiguas que utilizaban carbono.
Por qué importa la alta densidad
Las reacciones de fusión se fortalecen a medida que aumenta la densidad del plasma. Cuando la densidad se duplica, la potencia de fusión aumenta mucho más rápido. La alta densidad ayuda a la fusión a alcanzar la ignición, el punto en el que las reacciones se autoalimentan.
A pesar de este beneficio, los tokamaks se enfrentan a un límite de densidad conocido como el límite de Greenwald. Cruzar esa línea a menudo desencadena el colapso del plasma.
Explicaciones anteriores culpaban a la turbulencia o a problemas magnéticos. Muchos experimentos intentaron agregar más combustible o calentar, pero generalmente seguía la interrupción. Una nueva idea ahora ofrece una explicación más profunda.
La autoorganización de la pared del plasma, o PWSO, explica los límites de densidad al centrarse en las interacciones entre el plasma y las paredes del reactor.
D. F. Escande y colaboradores desarrollaron inicialmente esta idea. PWSO vincula el comportamiento del plasma a la radiación de impurezas causada por los materiales de la pared.
Cuando el plasma golpea las paredes metálicas, se liberan pequeñas partículas. Estas partículas entran en el plasma y irradian energía. Demasiada radiación enfría el plasma y finaliza el experimento.
La teoría PWSO muestra que el equilibrio entre la potencia de calentamiento y la radiación decide qué tan denso puede llegar a ser el plasma.
En la teoría PWSO aparecen dos caminos operativos. Un camino conduce a un límite de densidad. Otro camino conduce a un régimen libre de densidad. En ese segundo camino, el plasma permanece estable incluso cuando la densidad sigue aumentando.
Por qué importan las paredes de tungsteno
El material de la pared juega un papel importante. Las paredes de carbono liberan impurezas a través de reacciones químicas. Las paredes de tungsteno liberan partículas principalmente a través de impactos físicos.
El sputtering físico se comporta de manera más predecible a temperaturas más bajas.
La teoría PWSO predice que las paredes de tungsteno pueden soportar el régimen libre de densidad cuando las temperaturas de la región objetivo se mantienen bajas.
EAST utiliza divertors de tungsteno completo, lo que crea condiciones ideales para probar esta idea.
Estabilizando el “sol artificial”
Los investigadores ajustaron las condiciones al inicio de la formación del plasma. Una alta presión inicial de gas llenó la cámara antes del encendido del plasma. El calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones proporcionó energía adicional durante el arranque.
Esta combinación redujo la radiación dañina y mantuvo el plasma limpio. Los niveles más bajos de impurezas permitieron que la densidad aumentara sin problemas. La temperatura del plasma cerca de los objetivos del divertor disminuyó, lo que redujo aún más el daño a la pared y la radiación.
Las mediciones mostraron que la densidad del plasma alcanzó aproximadamente de 1.3 a 1.65 veces el límite de Greenwald. La estabilidad se mantuvo fuerte incluso cerca del colapso.
Los resultados coincidieron con las predicciones de los modelos PWSO simplificados y detallados.
La teoría respalda los hallazgos
Los modelos PWSO describen la retroalimentación entre la potencia de calentamiento, la radiación y la producción de impurezas. Cuando la radiación retrasada se mantiene por debajo de la entrada de calor, el plasma alcanza un equilibrio estable.
Los cálculos mostraron que los experimentos de EAST entraron en la cuenca libre de densidad predicha por la teoría. Las temperaturas más bajas del divertor jugaron un papel clave.
A medida que las condiciones de la pared mejoraron en experimentos repetidos, los límites de densidad aumentaron aún más. Esta tendencia coincidió estrechamente con las expectativas teóricas.
Por qué importan estos resultados
La ignición de la fusión depende de la densidad, la temperatura y el tiempo de confinamiento trabajando juntos. Eliminar la barrera de densidad acerca mucho más la ignición.
Los resultados de EAST muestran que el control del arranque y el diseño de la pared son tan importantes como la potencia de calentamiento bruta.
“Los hallazgos sugieren un camino práctico y escalable para extender los límites de densidad en los tokamaks y los dispositivos de fusión de plasma de combustión de próxima generación”, dijo el Profesor Zhu.
El Profesor Ning Yan señaló que el equipo planea aplicar el mismo método durante la operación de alto confinamiento. Ese paso podría aumentar aún más la densidad en condiciones de fusión más fuertes.
La energía de fusión aún enfrenta desafíos, pero uno de los límites más difíciles ha comenzado a ceder. Con un control cuidadoso y un diseño inteligente, los soles artificiales pronto podrían brillar más que nunca.
El estudio se publica en la revista Science Advances.
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