Un nuevo descubrimiento allana el camino para plantas de energía de fusión más compactas

Una jaula magnética mantiene los plasmas calientes a más de 100 millones de grados centígrados en dispositivos de fusión nuclear alejados de la pared del recipiente para que no se derritan. Ahora, los investigadores del Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) han encontrado una manera de reducir drásticamente esa distancia. Esto podría hacer posible la construcción de reactores de fusión más pequeños y económicos para la generación de energía. El trabajo ha sido publicado en la revista Cartas de exploración física.

El reactor experimental internacional ITER, actualmente en construcción en el sur de Francia, representa el medio más avanzado para producir energía en una planta de energía de fusión. El diseño sigue el principio tokamak, es decir, un plasma de fusión a más de 100 millones de grados está confinado en un campo magnético en forma de rosquilla. Este concepto evita que el plasma caliente entre en contacto con la pared del recinto y la dañe. El experimento ASDEX Upgrade tokamak en el IPP en Garching, cerca de Múnich, sirve como modelo para ITER y plantas de energía de fusión posteriores. Allí se desarrollaron elementos importantes para ITER. Y las condiciones de funcionamiento del plasma y los componentes de las centrales eléctricas posteriores ya se pueden probar hoy.

El plasma caliente se acerca al desviador.

Un componente central de ASDEX Upgrade y de todas las instalaciones modernas de fusión magnética es el desviador. Esta es una parte de la pared del recipiente que es particularmente resistente al calor y requiere un diseño elaborado. “En el desviador llega el calor del plasma a la pared. En plantas de energía posteriores, el producto de fusión de helio-4 también se extraerá allí”, explicó el profesor Ulrich Stroth, jefe de la división Plasma Edge and Wall de IPP. “En esta región, la carga de la pared es particularmente alta”. Por lo tanto, las tejas desviadoras de ASDEX Upgrade pero también de ITER están hechas de tungsteno, 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 alcanzaría las superficies del desviador. a aprox. 200 megavatios por metro cuadrado serían aproximadamente las mismas condiciones que en la superficie del sol. Sin embargo, el desviador ITER, así como las futuras plantas de energía de fusión, solo podrán soportar un máximo de 10 megavatios por metro cuadrado. Por este motivo, se añaden al plasma pequeñas cantidades de impurezas (a menudo nitrógeno). Estos extraen la mayor parte de su energía térmica convirtiéndola en luz ultravioleta. Sin embargo, el borde del plasma (el separador) debe mantenerse alejado del desviador para protegerlo. En la actualización de ASDEX hasta ahora, ha sido de al menos 25 centímetros (medidos desde la punta de plasma inferior, el punto X, hasta los bordes del desviador).

El calentador de punto X abre nuevas posibilidades para el diseño de reactores de fusión

Sin embargo, los investigadores del IPP han conseguido reducir esta distancia a menos de 5 centímetros sin dañar la pared. “Usamos específicamente el radiador de punto X para esto, un fenómeno que descubrimos hace aproximadamente una década durante los experimentos en ASDEX Upgrade”, dijo el investigador del IPP, el Dr. Matthias Bernert. “El radiador de punto X se produce en jaulas magnéticas de forma específica cuando la cantidad de nitrógeno añadido supera un cierto valor”.

Esto conduce a la formación de un pequeño volumen denso que irradia con especial fuerza en el rango UV. “Tales impurezas nos dan propiedades de plasma algo peores, pero si colocamos el radiador del punto X en una posición fija variando la inyección de nitrógeno, podemos ejecutar los experimentos a mayor potencia sin dañar el ‘dispositivo/desviador'”, explicó el Dr. Bernert. .

En las imágenes de la cámara del recipiente de vacío, el radiador de punto X (XPR para abreviar) se puede ver como un anillo azul brillante en el plasma, ya que también emite luz visible además de radiación UV. Recientemente, los investigadores del IPP estudiaron la XPR de forma exhaustiva. Sin embargo, el azar también jugó un papel en el descubrimiento actual: “Accidentalmente movimos el borde del plasma mucho más cerca del desviador de lo que esperábamos”, dijo el físico del IPP, el Dr. Tilmann Lunt.

“Nos sorprendió mucho que ASDEX Upgrade manejara esto sin ningún problema”. Debido a que el efecto podría confirmarse en otros experimentos, los investigadores ahora saben: cuando el radiador de punto X está presente, se convierte significativamente más energía térmica en radiación UV de lo que se pensaba anteriormente. El plasma luego irradia hasta el 90% de la energía en todas las direcciones.

Las plantas de energía de fusión podrían construirse más compactas y económicas

Esto lleva a conclusiones que podrían ser muy favorables para la construcción de futuras centrales de fusión:

• Los desviadores se pueden construir más pequeños y tecnológicamente mucho más simples que antes (desviador radiativo compacto).
• Debido a que el plasma se mueve más cerca del desviador, se puede utilizar 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. También aumentaría la potencia de fusión alcanzable. Pero los investigadores primero deben verificar esto en otros experimentos.

Además, el uso del radiador de punto X también ayuda a combatir los modos localizados en el borde (ELM): ráfagas violentas de energía en el borde del plasma que se repiten a intervalos regulares y expulsan alrededor de una décima parte de la energía del plasma a la pared. . El ITER y los futuros reactores de fusión se verían dañados por tales erupciones.

“Estamos ante un importante descubrimiento en la investigación de la fusión”, es por tanto el veredicto del director de la división IPP, Ulrich Stroth. “El radiador de punto X abre posibilidades completamente nuevas para nosotros en el desarrollo de una planta de energía. Profundizaremos en la teoría subyacente e intentaremos comprenderla mejor a través de nuevos experimentos en ASDEX Upgrade”. El tokamak en Garching pronto estará idealmente equipado para esto: para el verano de 2024, estará equipado con un nuevo desviador superior. Sus bobinas especiales permitirán deformar libremente el campo magnético cerca del desviador y así también optimizar las condiciones para el radiador del punto X.