Físicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) han propuesto la fuente del colapso del calor que precede a interrupciones que pueden dañar los reactores de fusión tokamak.
Hacer frente a la fuente podría superar uno de los desafíos más críticos que enfrentarán las futuras instalaciones de fusión y acercar más a la realidad la producción en la Tierra de la energía de fusión que impulsa al sol y las estrellas.
Los investigadores rastrearon el colapso hasta el desorden 3D de los fuertes campos magnéticos que embotellan el gas de plasma cargado y caliente que alimenta las reacciones. «Propusimos una forma novedosa de comprender las líneas de campo [desordenadas], que generalmente se ignoraba o se modelaba de manera deficiente en los estudios anteriores», dijo en un comunicado Min-Gu Yoo, investigadora posdoctoral en PPPL y miembro del equipo.
Los fuertes campos magnéticos sustituyen en las instalaciones de fusión a la inmensa gravedad que mantiene las reacciones de fusión en su lugar en los cuerpos celestes. Pero cuando se desordenan por la inestabilidad del plasma en experimentos de laboratorio, las líneas de campo permiten que el calor del plasma supercaliente escape rápidamente del confinamiento. Ese calor de un millón de grados aplasta las partículas de plasma para liberar energía de fusión y puede golpear y dañar las paredes de las instalaciones de fusión cuando se liberan del confinamiento.
«En el caso de una gran interrupción, las líneas de campo se vuelven totalmente desordenadas como espaguetis y se conectan rápidamente a la pared con longitudes muy diferentes», dijo el físico investigador principal Weixing Wang, coautor del artículo. «Eso trae una enorme energía térmica de plasma contra la pared».
La fusión combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. El plasma contiene electrones libres y núcleos atómicos, o iones, y comprende el 99 % del universo visible. Los científicos de todo el mundo buscan capturar y controlar el proceso de fusión en la Tierra para crear una fuente de energía limpia, libre de carbono y prácticamente inagotable para generar electricidad.
Lo que no se sabía antes era la forma 3D, o topología, de las líneas de campo desordenadas causadas por la inestabilidad turbulenta. La topología forma pequeñas colinas y valles, explica Yoo, dejando algunas partículas atrapadas en los valles y sin poder escapar del confinamiento, mientras que otras ruedan colina abajo e impactan contra las paredes de la instalación.
«La existencia de estas colinas es responsable del rápido colapso de la temperatura, el llamado enfriamiento térmico, ya que permiten que escapen más partículas hacia la pared del tokamak», dijo Yoo. «Lo que mostramos en el documento es cómo dibujar un buen mapa para comprender la topología de las líneas de campo. Sin colinas magnéticas, la mayoría de los electrones habrían quedado atrapados y no podrían producir la extinción térmica observada en los experimentos».
Los científicos de PPPL simularon la topología de extinción térmica como una estructura 3D compleja en lugar de una estructura 1D simple como se había representado. Al hacerlo, los investigadores evitaron simplificaciones excesivas comunes que podrían inducir a error a la física.
Lo que hizo que la topología fuera difícil de entender fue la compleja interacción entre los campos eléctricos y magnéticos dentro de la instalación, dijo Yoo. Los investigadores de PPPL desentrañaron la interacción utilizando el código GTS del laboratorio, que simula el efecto de la inestabilidad turbulenta en el movimiento de partículas. El código reveló que el campo eléctrico producido en las instalaciones actúa para patear partículas entre líneas de campo magnético estocástico similares a espaguetis y luego facilita el movimiento de partículas atrapadas a lo largo de las líneas de campo que dan lugar a la extinción térmica.
«Esta investigación proporciona nuevos conocimientos físicos sobre cómo el plasma pierde su energía hacia la pared cuando hay líneas de campo magnético abiertas», dijo Yoo. «La nueva comprensión sería útil para encontrar formas innovadoras de mitigar o evitar los enfriamientos térmicos y las interrupciones del plasma en el futuro», añadió.
europapress.es