Un nuevo descubrimiento abre el camino a centrales de fusión más compactas para producir energía
"Estamos ante un descubrimiento significativo en la investigación de la fusión"
Ahora, investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) han encontrado una forma de reducir significativamente esta distancia. Esto podría permitir construir reactores de fusión más pequeños y baratos para la producción de energía. El trabajo se ha publicado en la revista "Physical Review Letters".
Recipiente de plasma de ASDEX Upgrade. El canal circular de la parte inferior contiene el desviador.
MPI für Plasmaphysik/Volker Rohde
El reactor experimental internacional ITER, que se construye actualmente en el sur de Francia, representa la forma más avanzada de generar energía en una central de fusión. Su diseño sigue el principio del tokamak, es decir, un plasma de fusión a más de 100 millones de grados se confina en un campo magnético con forma de rosquilla. Este concepto impide que el plasma caliente entre en contacto con la pared que lo encierra y la dañe. El experimento de tokamak ASDEX Upgrade, en el IPP de Garching, cerca de Múnich, sirve de modelo para el ITER y las posteriores centrales de fusión. Aquí se desarrollaron elementos importantes para el ITER. Y las condiciones de funcionamiento del plasma y los componentes de las centrales posteriores ya pueden probarse hoy en día.
El plasma caliente se acerca al desviador
Un elemento central de ASDEX Upgrade y de todas las instalaciones modernas de fusión magnética es el desviador. Se trata de una parte de la pared de la vasija especialmente resistente al calor y que requiere un diseño elaborado. "Al desviador llega el calor del plasma a la pared. En centrales posteriores, el producto de fusión helio-4 también se extraerá allí", explicó el Prof. Ulrich Stroth, jefe de la División de Borde y Pared de Plasma en IPP. "En esta región, la carga de la pared es especialmente elevada". Por eso, las baldosas desviadoras de ASDEX Upgrade y también de ITER están hechas de wolframio, el elemento químico con la temperatura de fusión más alta de todos (3422° C).
Sin contramedidas, el 20% de la potencia de fusión del plasma llegaría a las superficies del desviador. Con unos 200 megavatios por metro cuadrado, las condiciones serían aproximadamente las mismas que en la superficie del sol. Sin embargo, el desviador del ITER y también las futuras centrales de fusión sólo podrán soportar un máximo de 10 megavatios por metro cuadrado. Por este motivo, se añaden pequeñas cantidades de impurezas (a menudo nitrógeno) al plasma. Éstas extraen la mayor parte de su energía térmica convirtiéndola en luz ultravioleta. No obstante, el borde del plasma (la separatriz) debe mantenerse a cierta distancia del desviador para protegerlo. Hasta ahora, en ASDEX Upgrade, esta distancia era de al menos 25 centímetros (medidos desde la punta inferior del plasma -el punto X- hasta los bordes del desviador).
El radiador de punto X abre nuevas posibilidades para el diseño de reactores de fusión
Ahora, los investigadores del IPP han conseguido reducir esta distancia a menos de 5 centímetros sin dañar la pared. "Para ello utilizamos específicamente el radiador de punto X, un fenómeno que descubrimos hace aproximadamente una década durante los experimentos de ASDEX Upgrade", explicó el Dr. Matthias Bernert, investigador del IPP. "El radiador de punto X se produce en jaulas magnéticas de forma específica cuando la cantidad de nitrógeno añadido supera un determinado valor". Esto da lugar a la formación de un volumen pequeño y denso que irradia con especial intensidad en el rango ultravioleta. "Tales impurezas nos dan unas propiedades del plasma algo peores, pero si ajustamos el radiador de punto X a una posición fija variando la inyección de nitrógeno, podemos realizar los experimentos a mayor potencia sin dañar el dispositivo/divertidor", explicó el Dr. Bernert.
En las imágenes de la cámara del recipiente de vacío, el radiador de punto X (XPR, por sus siglas en inglés) puede verse como un anillo azul brillante en el plasma, ya que también emite algo de luz visible además de la radiación ultravioleta. Recientemente, los investigadores de la PPI han investigado intensamente el XPR. Sin embargo, la casualidad también desempeñó un papel en el descubrimiento actual: "Accidentalmente movimos el borde del plasma mucho más cerca del desviador de lo que habíamos previsto", dijo el Dr. Tilmann Lunt, físico del IPP. "Nos sorprendió mucho que ASDEX Upgrade lo soportara sin problemas". Como el efecto pudo confirmarse en más experimentos, los investigadores saben ahora lo siguiente: cuando el radiador de punto X está presente, se convierte en radiación UV una cantidad de energía térmica significativamente mayor de lo que se suponía hasta ahora. El plasma irradia entonces hasta el 90 por ciento de la energía en todas direcciones.
Las centrales de fusión podrían construirse más compactas y baratas
Esto lleva a conclusiones que podrían ser muy favorables para la construcción de futuras centrales de fusión:
- Los desviadores pueden construirse más pequeños y tecnológicamente mucho más sencillos que antes (Desviador Radiativo Compacto).
- Dado que el plasma se desplaza más cerca del desviador, puede aprovecharse mejor el volumen del recipiente de vacío. Los primeros cálculos muestran que, si el recipiente tuviera una forma óptima, sería posible casi duplicar el volumen de plasma manteniendo las mismas dimensiones. Esto también aumentaría la potencia de fusión alcanzable. Pero los investigadores tienen que comprobarlo antes en otros experimentos.
Además, el uso del radiador de punto X también ayuda contra los modos localizados en el borde (ELM): violentas erupciones de energía en el borde del plasma que se repiten a intervalos regulares y expulsan hacia la pared aproximadamente una décima parte de la energía del plasma. ITER y los futuros reactores de fusión se verían dañados por este tipo de erupciones.
"Estamos ante un descubrimiento significativo en la investigación de la fusión", es por tanto también el veredicto del Director de la División IPP, Ulrich Stroth. "El radiador de punto X nos abre posibilidades completamente nuevas en el desarrollo de una central eléctrica. Seguiremos investigando la teoría que lo sustenta e intentaremos comprenderlo mejor mediante nuevos experimentos en ASDEX Upgrade." El tokamak de Garching pronto estará perfectamente equipado para ello: Para el verano de 2024, contará con un nuevo desviador superior. Sus bobinas especiales permitirán deformar libremente el campo magnético cerca del desviador y optimizar así también las condiciones para el radiador del punto X.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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