Científicos que trabajan con el Tokamak Experimental Avanzado Superconductor (EAST) de China, un reactor de fusión totalmente superconductor, han logrado alcanzar un denominado “régimen libre de densidad” en experimentos con plasma de fusión. En este estado, el plasma se mantiene estable incluso cuando su densidad supera con creces los límites tradicionales. Los resultados, publicados en Science Advances el 1 de enero, ofrecen nueva luz sobre cómo podría superarse una de las barreras físicas más persistentes en el camino hacia la ignición de la fusión.
La investigación fue codirigida por el Prof. Ping Zhu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el Prof. Asociado Ning Yan de los Institutos Hefei de Ciencia Física de la Academia China de las Ciencias. Al desarrollar un nuevo enfoque de operación de alta densidad para EAST, el equipo demostró que la densidad del plasma puede aumentar significativamente más allá de los límites empíricos establecidos sin desencadenar las inestabilidades disruptivas que normalmente interrumpen los experimentos. Este hallazgo desafía décadas de suposiciones sobre el comportamiento de los plasmas de tokamak a alta densidad.
Por qué los límites de densidad han frenado la fusión
La fusión nuclear se considera ampliamente una fuente potencial de energía limpia y sostenible. En la fusión de deuterio-tritio, el combustible debe calentarse a unos 13 keV (150 millones de kelvin) para alcanzar condiciones óptimas. A estas temperaturas, la cantidad de energía de fusión producida aumenta con el cuadrado de la densidad del plasma. A pesar de esta ventaja, los experimentos con tokamaks se han visto tradicionalmente limitados por un límite superior de densidad. Al exceder este límite, el plasma a menudo se vuelve inestable, interrumpiendo el confinamiento y amenazando el funcionamiento del dispositivo. Estas inestabilidades han sido un obstáculo importante para mejorar el rendimiento de la fusión.
Un nuevo marco teórico conocido como autoorganización plasma-pared (PWSO) ofrece una explicación diferente de por qué surgen los límites de densidad. El concepto fue propuesto inicialmente por D.F. Escande y colaboradores del Centro Nacional de Investigación Científica francés y la Universidad de Aix-Marseille. Según la teoría PWSO, un régimen libre de densidad puede emerger cuando la interacción entre el plasma y las paredes metálicas del reactor alcanza un estado cuidadosamente equilibrado. En este régimen, el sputtering físico juega un papel dominante en la configuración del comportamiento del plasma.
Los experimentos con EAST proporcionaron la primera confirmación experimental de esta idea teórica. Los investigadores controlaron cuidadosamente la presión inicial del gas combustible y aplicaron calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones durante la fase de inicio de cada descarga. Esta estrategia permitió optimizar las interacciones plasma-pared desde el principio. Como resultado, la acumulación de impurezas y las pérdidas de energía se redujeron significativamente, lo que permitió que la densidad del plasma aumentara constantemente hacia el final del inicio. En estas condiciones, EAST entró con éxito en el régimen libre de densidad predicho por PWSO, donde se mantuvo una operación estable incluso a densidades muy superiores a los límites empíricos.
Implicaciones para la ignición de la fusión
Estos resultados experimentales ofrecen nuevas perspectivas físicas sobre cómo podría romperse la barrera de densidad de larga data en la operación de tokamaks en la búsqueda de la ignición de la fusión.
«Los hallazgos sugieren un camino práctico y escalable para extender los límites de densidad en los tokamaks y en los dispositivos de fusión de plasma de combustión de próxima generación», afirmó el Prof. Zhu.
El Prof. Asociado Yan añadió que el equipo planea aplicar el mismo enfoque durante la operación de alto confinamiento en EAST en un futuro próximo, con el objetivo de alcanzar el régimen libre de densidad en condiciones de plasma de alto rendimiento.
