Físicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), dentro de una gran colaboración europea, han revisado una de las leyes fundamentales que ha sido fundamental para la investigación del plasma y la fusión durante más de tres décadas, incluso rigiendo el diseño de megaproyectos como ITER.
La actualización muestra que podemos usar de forma segura más combustible de hidrógeno en los reactores de fusión y, por lo tanto, obtener más energía de lo que se pensaba anteriormente.
¿Qué es la energía de fusión?
La fusión es una de las fuentes de energía del futuro más prometedoras. Se trata de dos núcleos atómicos que se combinan en uno, liberando así enormes cantidades de energía. De hecho, experimentamos la fusión todos los días: el calor del Sol proviene de los núcleos de hidrógeno que se fusionan en átomos de helio más pesados.
Actualmente existe un megaproyecto de investigación de fusión internacional llamado ITER, que tiene como objetivo replicar los procesos de fusión del Sol para crear energía en la Tierra. Su objetivo es la creación de plasma de alta temperatura que proporcione el entorno adecuado para que se produzca la fusión, produciendo energía.
Los plasmas, un estado ionizado de la materia similar a un gas, están formados por núcleos con carga positiva y electrones con carga negativa, y son casi un millón de veces menos densos que el aire que respiramos. Los plasmas se crean al someter al "combustible de fusión" (átomos de hidrógeno) a temperaturas extremadamente altas (10 veces las del núcleo del Sol), lo que obliga a los electrones a separarse de sus núcleos atómicos. El proceso tiene lugar dentro de una estructura en forma de rosquilla ("toroidal") llamada "tokamak".
“Para crear plasma para la fusión, se deben considerar tres cosas: alta temperatura, alta densidad de combustible de hidrógeno y buen confinamiento”, dice Paolo Ricci del Swiss Plasma Center, uno de los institutos de investigación en fusión líderes en el mundo ubicado en la EPFL.
El doble de hidrógeno
Trabajando dentro de una gran colaboración europea, el equipo de Ricci ha publicado un estudio que actualiza un principio fundamental de la generación de plasma y muestra que el próximo tokamak ITER puede operar con el doble de hidrógeno y, por lo tanto, generar más energía de fusión de lo que se pensaba anteriormente.
“Una de las limitaciones de hacer plasma dentro de un tokamak es la cantidad de combustible de hidrógeno que se le puede inyectar”, dice Ricci. “Desde los primeros días de la fusión, sabemos que si intentas aumentar la densidad del combustible, en algún momento se producirá lo que llamamos una 'interrupción': básicamente pierdes totalmente el confinamiento y el plasma va a donde sea. Entonces, en los años ochenta, la gente estaba tratando de idear algún tipo de ley que pudiera predecir la densidad máxima de hidrógeno que se puede poner dentro de un tokamak”.
La respuesta llegó en 1988, cuando el científico de fusión Martin Greenwald publicó una famosa ley que correlaciona la densidad del combustible con el radio menor del tokamak (el radio del círculo interior de la rosquilla) y la corriente que fluye en el plasma dentro del tokamak. Desde entonces, el “límite de Greenwald” ha sido un principio fundamental de la investigación de la fusión; de hecho, la estrategia de construcción de tokamak del ITER se basa en él.
“Greenwald derivó la ley empíricamente, es decir, completamente a partir de datos experimentales, no una teoría comprobada, o lo que llamaríamos 'primeros principios'”, explica Ricci. “Aún así, el límite funcionó bastante bien para la investigación. Y, en algunos casos, como DEMO (sucesor de ITER), esta ecuación constituye un gran límite para su funcionamiento porque dice que no se puede aumentar la densidad del combustible por encima de cierto nivel”.
Con otros tokamaks
En colaboración con otros equipos de tokamak, el Swiss Plasma Center diseñó un experimento en el que era posible utilizar tecnología altamente sofisticada para controlar con precisión la cantidad de combustible inyectado en un tokamak.
Los experimentos masivos se llevaron a cabo en los tokamaks más grandes del mundo, el Joint European Torus (JET) en el Reino Unido, así como en ASDEX Upgrade en Alemania (Max Plank Institute) y el propio tokamak TCV de EPFL. Este gran esfuerzo experimental fue posible gracias al Consorcio EUROfusion, la organización europea que coordina la investigación de fusión en Europa y en la que EPFL ahora participa a través del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania.
Procesos químicos
Al mismo tiempo, Maurizio Giacomin, estudiante de doctorado en el grupo de Ricci, comenzó a analizar los procesos físicos que limitan la densidad en los tokamaks, para derivar una ley de primeros principios que pueda correlacionar la densidad del combustible y el tamaño del tokamak.
Sin embargo, parte de eso implicó el uso de una simulación avanzada del plasma realizada con un modelo de computadora.
“Las simulaciones explotan algunas de las computadoras más grandes del mundo, como las que pone a disposición CSCS, el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza y EUROfusion”, dice Ricci. “Y lo que encontramos, a través de nuestras simulaciones, fue que a medida que agrega más combustible al plasma, partes de él se mueven desde la capa fría exterior del tokamak, el límite, de regreso a su núcleo, porque el plasma se vuelve más turbulento. Entonces, a diferencia de un cable de cobre eléctrico, que se vuelve más resistente cuando se calienta, los plasmas se vuelven más resistentes cuando se enfrían. Por lo tanto, cuanto más combustible se le pone a la misma temperatura, más partes se enfrían y más difícil es que la corriente fluya en el plasma, lo que posiblemente provoque una interrupción”.
Avance histórico
Esto fue un desafío para simular. "La turbulencia en un fluido es en realidad el problema abierto más importante en la física clásica", dice Ricci. “Pero la turbulencia en un plasma es aún más complicada porque también tiene campos electromagnéticos”.
Al final, Ricci y sus colegas pudieron descifrar el código y pusieron "bolígrafo y papel" para derivar una nueva ecuación para el límite de combustible en un tokamak, que se alinea muy bien con los experimentos. Publicado en Physical Review Letters , hace justicia al límite de Greenwald, al estar cerca de él, pero lo actualiza de manera significativa.
La nueva ecuación postula que el límite de Greenwald se puede aumentar casi al doble en términos de combustible en ITER; eso significa que los tokamaks como ITER en realidad pueden usar casi el doble de la cantidad de combustible para producir plasmas sin preocuparse por las interrupciones. “Esto es importante porque muestra que la densidad que puedes lograr en un tokamak aumenta con la potencia que necesitas para hacerlo funcionar”, dice Ricci.
“En realidad, DEMO operará a una potencia mucho mayor que los tokamaks e ITER actuales, lo que significa que puede agregar más densidad de combustible sin limitar la producción, en contraste con la ley de Greenwald. Y esa es una muy buena noticia”.
yatedigo
21/05/2022