Este descubrimiento histórico marca un gran paso adelante en el avance de los reactores de energía de fusión.

Los investigadores han utilizado ondas de Alfvén para mitigar los electrones desbocados en dispositivos de fusión tokamak, lo que ofrece importantes implicaciones para futuros proyectos de energía de fusión, incluido el ITER en Francia.

Científicos dirigidos por Chang Liu del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) han revelado un enfoque prometedor para mitigar los electrones desbocados dañinos creados por interrupciones en los dispositivos de fusión tokamak. La clave del enfoque fue aprovechar un tipo único de plasma Ola que lleva el nombre del astrofísico Hannes Alfvén, premio Nobel en 1970.

Se sabe desde hace mucho tiempo que las ondas de Alfvén aflojan el confinamiento de partículas de alta energía en los reactores tokamak, permitiendo que algunas escapen y reduciendo la eficiencia de los dispositivos con forma de rosquilla. Sin embargo, nuevos hallazgos de Chang Liu e investigadores de General Atomics, la Universidad de Columbia y PPPL han descubierto resultados beneficiosos en el caso de electrones desbocados.

Notable proceso circular

Los científicos han descubierto que tal aflojamiento puede difundir o dispersar electrones de alta energía antes de que se conviertan en avalanchas que dañen los componentes del tokamak. Se pensaba que este proceso era extraordinariamente circular: las fugas crean inestabilidades que dan lugar a ondas de Alfvén que impiden que se forme la avalancha.

«Estos hallazgos proporcionan una explicación completa para la observación directa de las ondas de Alfvén en experimentos de disrupción», dijo Liu, investigador del PPPL y autor principal de un artículo que detalla los hallazgos en Cartas de revisión física. «Los resultados establecen un vínculo claro entre estos modos y la generación de electrones desbocados».

Chang Liu. Crédito: Elle Starkman

Los investigadores derivaron una teoría sobre la notable circularidad de estas interacciones. Los resultados se alinearon bien con los fugitivos en experimentos en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, un tokamak del DOE que General Atomics opera para la Oficina de Ciencias. Las pruebas de la teoría también resultaron exitosas en la supercomputadora Summit del Laboratorio Nacional Oak Ridge.

«El trabajo de Chang Liu muestra que el tamaño de la población de electrones que se escapan puede controlarse mediante inestabilidades provocadas por los propios electrones que se escapan», dijo Félix Parra Díaz, jefe del departamento de teoría de PPPL. «Su investigación es muy interesante porque podría conducir a diseños de tokamak que mitiguen naturalmente el daño de los electrones que se escapan a través de inestabilidades intrínsecas».

Calmar la sed térmica

Las interrupciones comienzan con fuertes caídas en los millones de grados de temperatura necesarios para las reacciones de fusión. Estas gotas, llamadas “térmicas térmicas”, liberan avalanchas de personas que huyen similares a los deslizamientos de tierra producidos por los terremotos. «El control de las interrupciones es un desafío clave para el éxito de los tokamaks», dijo Liu.

Las reacciones de fusión combinan elementos ligeros en forma de plasma (el estado caliente y cargado de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos llamados iones) para liberar la vasta energía que alimenta el sol y las estrellas. Por lo tanto, mitigar el riesgo de interrupciones y electrones desbocados proporcionaría una ventaja singular para las plantas tokamak diseñadas para replicar el proceso.

Por lo tanto, mitigar el riesgo de interrupciones y electrones desbocados proporcionaría una ventaja singular para las plantas tokamak diseñadas para replicar el proceso.

La energía de fusión nuclear podría representar una fuente de energía sostenible clave para complementar la energía renovable. El experimento de fusión más grande del mundo, ITER, está en construcción en Francia. Crédito: Organización ITER

El nuevo enfoque podría tener implicaciones para el desarrollo de ITER, el tokamak internacional que se está construyendo en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión, y podría marcar un paso clave en el desarrollo de plantas de energía de fusión.

«Nuestros hallazgos sientan las bases para la creación de nuevas estrategias para mitigar la fuga de electrones», dijo Liu. Ahora se están planificando campañas experimentales en las que los tres centros de investigación pretenden seguir desarrollando los sorprendentes resultados.