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Los físicos acaban de reescribir una regla fundamental para los reactores de fusión nuclear que podrían liberar el doble de potencia

La cámara de fusión en forma de rosquilla del TCV contiene los plasmas de hidrógeno supercalentados en potentes campos magnéticos para evitar que dañe las paredes. Crédito de la imagen: Alain Herzog / EPFL

Las futuras reacciones de fusión dentro de los tokamaks podrían producir mucha más energía de lo que se pensaba anteriormente, gracias a una nueva e innovadora investigación que encontró que una ley fundamental para tales reactores era incorrecta.

La investigación, dirigida por físicos del Centro Suizo de Plasma en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne EFPL, ha determinado que la densidad máxima del combustible de hidrógeno es aproximadamente el doble del "Límite de Greenwald", una estimación derivada de experimentos de hace más de 30 años..

El descubrimiento de que los reactores de fusión pueden funcionar con densidades de plasma de hidrógeno que son mucho más altas que el límite de Greenwald para el que fueron construidos influirá en el funcionamiento del enorme tokamak ITER que se está construyendo en el sur de Francia y afectará en gran medida los diseños de los sucesores de ITER,llamados reactores de fusión de la planta de energía de demostración DEMO, por sus siglas en inglés, dijo el físico Paolo Ricci en el Swiss Plasma Center.

“El valor exacto depende de la potencia”, dijo Ricci a Rhythm89. “Pero como estimación aproximada, el aumento es del orden de un factor de dos en ITER”.

Ricci es uno de los líderes del proyecto de investigación, que combinó el trabajo teórico con los resultados de aproximadamente un año de experimentos en tres reactores de fusión diferentes en toda Europa: EPFL's Tokamak à Configuration Variable TCV se abre en una pestaña nueva, el toro común europeo JET se abre en una pestaña nueva en Culham en el Reino Unido y el experimento del desviador axialmente simétrico ASDEX se abre en una pestaña nueva Actualizar tokamak en el Instituto Max Planck de Física del Plasma en Garching en Alemania.

También es uno de los autores principales de un estudio sobre el descubrimiento publicado el 6 de mayo en la revista Cartas de revisión física se abre en una pestaña nueva.

futura fusión

Los tokamaks en forma de rosquilla son uno de los diseños más prometedores para los reactores de fusión nuclear que algún día podrían usarse para generar electricidad para las redes eléctricas.

Los científicos han trabajado durante más de 50 años para hacer realidad la fusión controlada; a diferencia de la fisión nuclear, que genera energía al romper núcleos atómicos muy grandes, la fusión nuclear podría generar aún más energía al unir núcleos muy pequeños.

El proceso de fusión genera muchos menos desechos radiactivos que la fisión, y el hidrógeno rico en neutrones que utiliza como combustible es relativamente fácil de obtener.

El mismo proceso alimenta estrellas como el sol, razón por la cual la fusión controlada se compara con una "estrella en un frasco"; pero debido a que la presión muy alta en el corazón de una estrella no es factible en Tierra, las reacciones de fusión aquí abajo requieren temperaturas más altas que el sol para operar.

El tokamak TCV experimental en Lausana, Suiza, se utiliza para probar el comportamiento de los plasmas de hidrógeno que servirán como combustible en los futuros reactores de fusión.Crédito de la imagen: Curdin Wüthrich/SPC/EPFL

El temperatura dentro del tokamak TCV, por ejemplo, puede tener más de 216 millones de grados Fahrenheit 120 millones de grados Celsius, casi 10 veces la temperatura del núcleo de fusión del sol, que es de aproximadamente 27 millones F 15 millones de C.

Varios proyectos de energía de fusión se encuentran ahora en una etapa avanzada, y algunos investigadores piensanel primer tokamak en generar electricidad para la red podría estar funcionando en 2030, Rhythm89 previamente informado.

Más de 30 gobiernos de todo el mundo también están financiando el tokamak ITER "Iter" significa "el camino" en latín que debe producir sus primeros plasmas experimentales en 2025.

ITER, sin embargo, no está diseñado para generar electricidad; pero los tokamaks basados ​​en ITER que lo harán, llamados reactores DEMO, ahora se están diseñando y podrían estar funcionando para 2051.

Problemas de plasma

En el corazón de los nuevos cálculos se encuentra el límite de Greenwald, llamado así por el físico del MIT Martin Greenwald, quien determinó el límite en 1988.

Los investigadores estaban tratando de averiguar por qué sus plasmas de fusión se volvieron efectivamente incontrolables se expandieron fuera de los campos magnéticos que los contenían dentro de la cámara tokamak cuando aumentaron la densidad del combustible más allá de cierto punto, y Greenwald derivó un límite experimental basado enel radio menor de un tokamak el tamaño del círculo interno de la rosquilla y la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través del plasma.

Aunque los científicos habían sospechado durante mucho tiempo que se podía mejorar el límite de Greenwald, ha sido una regla fundamental de la investigación de fusión durante más de 30 años, dijo Ricci. Por ejemplo, es un principio rector del diseño de ITER.

Un electroimán alto, el solenoide central, se encuentra en el corazón del ITER Tokamak. Inicia la corriente de plasma e impulsa y da forma al plasma durante el funcionamiento.Crédito de la imagen: US ITER

Sin embargo, el último estudio amplía tanto los experimentos como la teoría que Greenwald usó para derivar su límite, lo que da como resultado un límite de densidad de combustible mucho más alto que aumentará la capacidad de ITER e impactará en los diseños de los reactores DEMO que vienen despuéseso, dijo.

La clave fue el descubrimiento de que un plasma puede sostener una mayor densidad de combustible a medida que aumenta la potencia de salida de una reacción de fusión, dijo.

Aún no es posible saber cómo un aumento tan grande en la densidad del combustible afectará la producción de energía de los tokamaks, dijo Ricci, pero es probable que sea significativo; y la investigación muestra que una mayor densidad del combustible hará que los reactores de fusión sean más fáciles de operar.

“Hace que las condiciones de fusión seguras y sostenibles sean más fáciles de lograr”, dijo. “Le permite llegar al régimen que desea, para que el reactor de fusión pueda funcionar correctamente”.

Publicado originalmente en Rhythm89.

Tom Metcalfe

Tom Metcalfe es un periodista independiente y colaborador habitual de Rhythm89 con sede en Londres, Reino Unido. Tom escribe principalmente sobre ciencia, espacio, arqueología, la Tierra y los océanos. También ha escrito para la BBC, NBC News, NationalGeographic, Scientific American, Air & Space, y muchos otros.