junio 28, 2022

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Una nueva ley fundamental que desbloquea las limitaciones de la energía de fusión

Ilustración de plasma ionizado similar a una nube en el reactor de fusión ITER tokamak. Crédito: ITER

Los físicos de la EPFL, en una importante colaboración europea, han revisado una de las leyes fundamentales que se ha establecido[{» attribute=»»>plasma and fusion research for over three decades, even governing the design of megaprojects like ITER. The update demonstrates that we can actually safely utilize more hydrogen fuel in fusion reactors, and therefore obtain more energy than previously thought.

Fusion is one of the most promising future energy sources . It involves two atomic nuclei merging into one, thereby releasing enormous amounts of energy. In fact, we experience fusion every day: the Sun’s warmth comes from hydrogen nuclei fusing into heavier helium atoms.

There is currently an international fusion research megaproject called ITER that seeks to replicate the fusion processes of the Sun to create energy on the Earth. Its goal is to generate high-temperature plasma that provides the right environment for fusion to occur, producing energy.

Plasmas — an ionized state of matter similar to a gas – are made up of positively charged nuclei and negatively charged electrons, and are almost a million times less dense than the air we breathe. Plasmas are created by subjecting “the fusion fuel” – hydrogen atoms – to extremely high temperatures (10 times that of the core of the Sun), forcing electrons to separate from their atomic nuclei. In a fusion reactor, the process takes place inside a donut-shaped (“toroidal”) structure called a “tokamak.”

Swiss Plasma Center Tokamak Thermonuclear Fusion Reactor

The tokamak thermonuclear fusion reactor at Swiss Plasma Center. Credit: Alain Herzog (EPFL)

“In order to create plasma for fusion, you have to consider three things: high temperature, high density of hydrogen fuel, and good confinement,” says Paolo Ricci at the Swiss Plasma Center, one of the world’s leading research institutes in fusion located at École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL).

Working within a large European collaboration, Ricci’s team has now released a study updating a foundational principle of plasma generation – and showing that the upcoming ITER tokamak can actually operate with twice the amount of hydrogen and therefore generate more fusion energy than previously thought.

“One of the limitations in making plasma inside a tokamak is the amount of hydrogen fuel you can inject into it,” says Ricci. “Since the early days of fusion, we’ve known that if you try to increase the fuel density, at some point there would be what we call a ‘disruption’ – basically you totally lose the confinement, and plasma goes wherever. So in the eighties, people were trying to come up with some kind of law that could predict the maximum density of hydrogen that you can put inside a tokamak.”

La respuesta llegó en 1988, cuando el científico de fusión Martin Greenwald publicó una famosa ley que relacionaba la densidad del combustible con el pequeño radio del tokamak (el radio del círculo interior de una rosquilla) y la corriente que fluía en el plasma dentro del tokamak. Desde entonces, el «límite de Greenwald» se ha convertido en un principio fundamental de la investigación de la fusión. De hecho, la estrategia de construcción de tokamak del ITER se basa en esto.

Ritchie explica: «Greenwald deriva la ley empíricamente, y esto es completamente a partir de datos empíricos, no una teoría probada, o lo que llamamos ‘primeros principios'». Sin embargo, el límite funcionó bien en la investigación. Y en algunos casos, como DEMO (el sucesor de ITER), esta ecuación es un gran límite para su funcionamiento porque dice que no se puede aumentar la densidad del combustible por encima de cierto nivel”.

En colaboración con los equipos de tokamak, el Swiss Plasma Center diseñó un experimento en el que se podía utilizar tecnología muy avanzada para controlar con precisión la cantidad de combustible inyectado en el tokamak. Las pruebas masivas se llevaron a cabo en el tokamak más grande del mundo, el Joint European Tokamak (JET) en el Reino Unido, así como en la actualización de ASDEX en Alemania (Instituto Max Planck) y el 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 ahora participa la EPFL a través del Instituto Max Planck de Física del Plasma en Alemania.

Al mismo tiempo, Maurizio Giacomene, estudiante de doctorado en el grupo de Ricci, comenzó a analizar los procesos físicos que limitan la densidad del tokamak, con el fin de derivar una ley de principios elementales que pudiera relacionar la densidad del combustible con el volumen del tokamak. Parte de eso implica usar una simulación avanzada de plasma usando un modelo de computadora.

“Las simulaciones aprovechan algunas de las computadoras más grandes del mundo, como las que son posibles gracias a CSCS, el Centro Nacional Suizo de Supercomputación y EUROfusion”, dice Ritchie. «Y lo que encontramos, a través de nuestras simulaciones, es que a medida que agrega más combustible al plasma, partes de este viajan desde la capa fría exterior del tokamak, el límite, hasta su núcleo, porque el plasma se vuelve más turbulento. Entonces, a diferencia del cables eléctricos de cobre, que se vuelven más resistentes cuando se calientan, el plasma se vuelve más resistente cuando se enfría. Entonces, cuanto más combustible le pongas a la misma temperatura, partes se enfrían, y más difícil será que la corriente fluya en el plasma, lo que puede provocar turbulencias».

Este fue un desafío para simular. «La turbulencia en un fluido es en realidad el problema abierto más importante en la física clásica», dice Ritchie. «Pero la turbulencia en el plasma es más compleja porque también tiene campos electromagnéticos».

Al final, Ritchie y sus colegas pudieron descifrar el código y poner «bolígrafo sobre papel» para derivar una nueva ecuación para el límite máximo de combustible en el tokamak, que se alinea bien con los experimentos. Publicado en la revista Cartas de revisión física El 6 de mayo de 2022, hace justicia a la frontera de Greenwald al acercarse a ella, pero la moderniza de manera importante.

La nueva ecuación asume que el límite de Greenwald se puede elevar aproximadamente dos veces en términos de combustible en ITER; Esto significa que los tokamaks como ITER pueden usar el doble de combustible para producir plasma sin preocuparse por las turbulencias. “Esto es importante porque muestra que la intensidad que puedes lograr en un tokamak aumenta con la potencia que necesitas para hacerlo funcionar”, dice Ritchie. «De hecho, DEMO funcionará a una potencia mucho mayor que los tokamaks e ITER actuales, lo que significa que puede agregar más densidad de combustible sin reducir la producción, a diferencia de la Ley de Greenwald. Y esta es una muy buena noticia».

Referencia: «Primeros principios del medidor de límite de densidad tokamak basado en el transporte de borde turbulento y sus reflejos en ITER» Por M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, ASDEX Upgrade Team, JET Accionistas y TCV Equipo, 6 de mayo de 2022, Cartas de revisión física.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

Lista de contribuyentes

  • Centro Suizo de Plasma EPFL
  • Instituto Max Planck de Física del Plasma
  • Equipo EPFL TCV
  • Equipo de actualización de ASDEX
  • Colaboradores de JET

Financiamiento: Consorcio EUROfusion (Programa de Investigación y Capacitación de Euratom), Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)

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