Esta imagen fija de una nueva simulación muestra cómo el plasma en la región del pedestal está conectado a través de la llamada superficie de confinamiento final en la región del plasma desviador. Los lóbulos largos y delgados fluctúan en el tiempo y el espacio. Crédito de simulación: Seung-Hoe Ku / Laboratorio de Física del Plasma de Princeton en la computadora DOE Summit en el Laboratorio Nacional Oak Ridge; Crédito de visualización: Dave Pugmire y Jong Youl Choi / Laboratorio Nacional Oak Ridge
El calor liberado por los reactores de fusión a escala comercial puede ser menos dañino de lo que se pensaba anteriormente.
Una nueva investigación indica que plasma El calor de fusión se propaga de manera más uniforme en los reactores tokamak, lo que sugiere un riesgo reducido de daño a componentes críticos, mejorando así la longevidad y la eficiencia del reactor.
Según investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Organización ITER (ITER), el intenso calor de los gases de escape producidos por la fusión de plasma en un reactor a escala comercial puede no será tan dañino dentro del reactor como se pensaba anteriormente.
“Este descubrimiento cambia fundamentalmente la forma en que pensamos sobre cómo el calor y las partículas se mueven entre dos regiones de importancia crítica en el borde de un plasma durante la fusión”, dijo PPPL Choongseok Chang, físico investigador senior, quien dirigió el equipo de investigadores detrás del descubrimiento. Recientemente se publicó en la revista un nuevo artículo que detalla su trabajo. Fusión nuclearsiguiendo publicaciones anteriores sobre el tema.
Para lograr la fusión, las temperaturas dentro de un tokamak (el dispositivo con forma de rosquilla que contiene el plasma) deben superar los 150 millones de grados. Celsius. Eso es 10 veces más caliente que el centro del sol. Contener algo tan caliente es un desafío, a pesar de que los campos magnéticos mantienen el plasma alejado en gran medida de las superficies internas. Estos campos mantienen la mayor parte del plasma confinado en una región central llamada núcleo, formando un anillo en forma de rosquilla. Sin embargo, algunas partículas y calor escapan del plasma confinado y golpean el material que se encuentra frente al plasma. Los nuevos hallazgos de los investigadores de PPPL sugieren que las partículas que se escapan del plasma central dentro de un tokamak chocan con un área del tokamak más grande de lo que se pensaba anteriormente, lo que reduce significativamente el riesgo de daños.
Investigaciones anteriores basadas en física y datos experimentales de los tokamaks actuales sugieren que el calor de escape se concentraría en una banda muy estrecha a lo largo de una porción de la pared del tokamak conocida como placas de derivación. Dedicado a eliminar el calor del escape y las partículas del plasma quemado, el desviador es esencial para el rendimiento de un tokamak.
El tokamak experimental del ITER estará equipado con un desviador dispuesto en forma de anillo alrededor del fondo de la cámara del tokamak. En la imagen de arriba, el desviador está resaltado en amarillo. Crédito: Organización ITER
“Si todo este calor llega a esta zona estrecha, entonces esta parte de la placa de derivación se dañará muy rápidamente”, afirma Chang, que trabaja en el departamento teórico de PPPL. “Esto podría significar frecuentes períodos de inactividad. Incluso si simplemente reemplazas esta parte de la máquina, no será rápido.
El problema no ha detenido el funcionamiento de los tokamaks existentes, que no son tan potentes como los que se necesitarán para un reactor de fusión a escala comercial. Sin embargo, en las últimas décadas, han surgido muchas preocupaciones de que un dispositivo a escala comercial pueda crear plasmas tan densos y calientes que las placas desviadoras podrían dañarse. Un plan propuesto implicaba agregar impurezas al borde del plasma para irradiar energía del plasma que se escapa, reduciendo así la intensidad del calor que golpea el material del desviador, pero Chang dijo que ese plan seguía siendo un desafío.
Simular la ruta de escape
Chang decidió estudiar cómo escaparon las partículas y dónde aterrizarían en un dispositivo como ITER, la instalación de fusión multinacional que se está montando en Francia. Para ello, su grupo creó una simulación de plasma utilizando un código informático conocido como Código girocinético incluido del punto X (XGC). Este código es uno de varios códigos desarrollados y mantenidos por PPPL que se utilizan para la investigación del plasma de fusión.
La simulación mostró cómo las partículas de plasma se movían a través de la superficie del campo magnético, que se suponía que era el límite que separaba el plasma confinado del plasma no confinado, incluido el plasma en la región del desvío. Esta superficie de campo magnético, generada por imanes externos, se denomina superficie de confinamiento final. Hace unos 20 años, Chang y sus colegas descubrieron que partículas cargadas, llamadas iones, atravesaban esta barrera y golpeaban las placas desviadoras. Más tarde descubrieron que estos iones que se escapaban hacían que la carga de calor se concentrara en un área muy estrecha de las placas de desviación.
Hace unos años, Chang y sus colegas descubrieron que la turbulencia del plasma podría permitir que partículas cargadas negativamente, llamadas electrones, atravesaran la superficie de confinamiento final y expandieran la carga térmica en las placas desviadoras ‘ITER. Sin embargo, la simulación aún asumió que la última superficie de confinamiento no fue perturbada por la turbulencia del plasma.
“En el nuevo artículo, mostramos que la superficie de confinamiento final está fuertemente perturbada por la turbulencia del plasma durante la fusión, incluso en ausencia de perturbaciones causadas por bobinas externas o inestabilidades abruptas del plasma”, dijo Chang. “No existe una buena última superficie de confinamiento debido a perturbaciones locas y turbulentas de la superficie magnética llamadas entrelazamientos homoclínicos. »
De hecho, Chang dijo que la simulación mostró que los electrones conectaban el borde del plasma principal con los plasmas desviadores. La trayectoria de los electrones, a medida que siguen la trayectoria de estos entrelazamientos homoclínicos, expande la zona de impacto térmico en un 30% más que la estimación anterior del ancho basada únicamente en la turbulencia. “Esto significa que es aún menos probable que la superficie del desviador se dañe por el calor de escape cuando se combina con el enfriamiento radiativo de los electrones mediante la inyección de impurezas en el plasma del desviador. La investigación también muestra que los entrelazamientos homoclínicos turbulentos pueden reducir el riesgo de inestabilidades abruptas en el borde del plasma porque debilitan su fuerza impulsora.
“No se debe confiar en la última superficie de contención de un tokamak”, dijo Chang. “Pero, irónicamente, podría mejorar el rendimiento de la fusión al reducir la posibilidad de dañar la superficie del desviador durante el funcionamiento estable y eliminar el estallido transitorio de energía del plasma a la superficie del desviador debido a inestabilidades abruptas del plasma, que son dos de los factores que más limitan el rendimiento”. asuntos. en futuros reactores tokamak comerciales.
Esta investigación recibió financiación del Departamento de Ciencias de la Energía de Fusión e Investigación en Computación Científica Avanzada del DOE para el Centro de Asociación SciDAC para la Simulación de Plasma Límite de Alta Fidelidad bajo el contrato DE-AC02-09CH11466.
