Investigadores de fusión encuentran una forma más segura y eficaz de crear una estrella en la Tierra

Por SciTechDaily23 de diciembre de 2019

Los científicos descubrieron que rociar un tipo de polvo en el plasma podría permitir que una instalación de tokamak aprovechara el gas ultracaliente para generar calor y energía sin emisiones de efecto invernadero ni desechos radiactivos a largo plazo.

A major issue with operating ring-shaped fusion facilities known as tokamaks is keeping the plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">plasma that fuels fusion reactions free of impurities that could reduce the efficiency of the reactions. Now, scientists at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPLThe U.S. Department of Energy’s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) is a collaborative national laboratory for plasma physics and nuclear fusion science. Its primary mission is research into and development of fusion as an energy source for the world." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">PPPL) han descubierto que rociar un tipo de polvo en el plasma podría ayudar a aprovechar el gas ultracaliente dentro de una instalación de tokamak para producir calor y generar electricidad sin producir gases de efecto invernadero o desechos radiactivos a largo plazo.

La fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, combina elementos ligeros en forma de plasma (el estado caliente y cargado de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos) que genera cantidades masivas de energía. Los científicos están tratando de replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro prácticamente inagotable de energía para generar electricidad.

El físico de PPPL, Robert Lunsford, ha completado una investigación que demuestra que la inyección de polvo de boro en plasma de fusión puede ayudar en las reacciones de fusión. Crédito: Elle Starkman / Oficina de Comunicaciones de PPPL

"El objetivo principal del experimento era ver si podíamos colocar una capa de boro usando un inyector de polvo", dijo el físico de PPPL Robert Lunsford, autor principal del artículo que informa los resultados en Nuclear Fusion. "Hasta ahora, el experimento parece haber tenido éxito".

El boro evita que un elemento conocido como tungsteno se filtre desde las paredes del tokamak hacia el plasma, donde puede enfriar las partículas de plasma y hacer que las reacciones de fusión sean menos eficientes. Se aplica una capa de boro a las superficies orientadas al plasma en un proceso conocido como "boronización". Los científicos quieren mantener el plasma lo más caliente posible (al menos diez veces más caliente que la superficie del Sol) para maximizar las reacciones de fusión y, por tanto, el calor para crear electricidad.

Usar polvo para proporcionar boroización también es mucho más seguro que usar un gas de boro llamado diborano, el método que se usa hoy en día. "El gas diborano es explosivo, por lo que todo el mundo tiene que abandonar el edificio que alberga el tokamak durante el proceso", dijo Lunsford. “Por otro lado, si pudieras colocar un poco de boro en polvo en el plasma, sería mucho más fácil de manejar. Mientras que el gas diborano es explosivo y tóxico, el polvo de boro es inerte”, añadió. "Esta nueva técnica sería menos intrusiva y definitivamente menos peligrosa".

Otra ventaja es que, si bien los físicos deben detener las operaciones del tokamak durante el proceso de gas de boro, se puede agregar polvo de boro al plasma mientras la máquina está en funcionamiento. Esta característica es importante porque, para proporcionar una fuente constante de electricidad, las futuras instalaciones de fusión tendrán que funcionar durante largos períodos de tiempo ininterrumpidos. "Esta es una manera de llegar a una máquina de fusión en estado estacionario", dijo Lunsford. "Se puede agregar más boro sin tener que apagar completamente la máquina".

Hay otras razones para utilizar un gotero de polvo para cubrir las superficies internas de un tokamak. Por ejemplo, los investigadores descubrieron que inyectar polvo de boro tiene el mismo beneficio que inyectar gas nitrógeno en el plasma: ambas técnicas aumentan el calor en el borde del plasma, lo que aumenta qué tan bien el plasma permanece confinado dentro de los campos magnéticos.

La técnica del cuentagotas de polvo también brinda a los científicos una manera fácil de crear plasmas de fusión de baja densidad, importante porque la baja densidad permite suprimir las inestabilidades del plasma mediante pulsos magnéticos, una forma relativamente simple de mejorar las reacciones de fusión. Los científicos podrían utilizar polvo para crear plasmas de baja densidad en cualquier momento, en lugar de esperar a que se produzca una boroización gaseosa. Ser capaz de crear fácilmente una amplia gama de condiciones del plasma de esta manera permitiría a los físicos explorar el comportamiento del plasma más a fondo.

En el futuro, Lunsford y los demás científicos del grupo esperan realizar experimentos para determinar dónde va exactamente el material después de haber sido inyectado en el plasma. Actualmente, los físicos plantean la hipótesis de que el polvo fluye hacia la parte superior e inferior de la cámara del tokamak, de la misma manera que fluye el plasma, "pero sería útil tener esa hipótesis respaldada por modelos para que sepamos las ubicaciones exactas dentro del tokamak que se están acumulando". las capas de boro”, dijo Lunsford.

Referencia: “Acondicionamiento activo de componentes de revestimiento de plasma de tungsteno ASDEX Upgrade y mejora de la descarga mediante inyección de partículas de boro y nitruro de boro” por R. Lunsford, V. Rohde, A. Bortolon, R. Dux, A. Herrmann, A. Kallenbach, RM McDermott, P. David, A. Drenik, F. Laggner, R. Maingi, DK Mansfield, A. Nagy, R. Neu, E. Wolfrum y el equipo de actualización de ASDEX, 14 de octubre de 2019, Nuclear Fusion.DOI: 10.1088/1741 -4326/ab4095

Esta investigación contó con el apoyo de la Oficina de Ciencias del DOE (FES) y el programa de investigación y formación de Euratom. El grupo de investigación incluía colaboradores del Instituto Max Planck de Física del Plasma de Alemania.