Los científicos que trabajan con el Tokamak Superconductor Experimental Avanzado (EAST) totalmente superconductor de China han alcanzado con éxito un «régimen libre de densidad» teorizado durante mucho tiempo en experimentos con plasma de fusión. En este estado, el plasma permanece estable incluso cuando su densidad aumenta mucho más allá de los límites tradicionales. Los resultados, publicados en Avances científicos del 1 de enero, arrojó nueva luz sobre cómo una de las barreras físicas más persistentes de la energía de fusión podría finalmente superarse en el camino hacia la ignición.
La investigación fue codirigida por el profesor Ping Zhu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y el profesor asociado Ning Yan de los Institutos Hefei de Ciencias Físicas de la Academia de Ciencias de China. Al desarrollar un nuevo enfoque operativo de alta densidad para EAST, el equipo demostró que la densidad del plasma puede superar con creces los límites empíricos establecidos desde hace mucho tiempo sin desencadenar las inestabilidades disruptivas que normalmente ponen fin a los experimentos. Este hallazgo desafía décadas de suposiciones sobre cómo se comportan los plasmas tokamak a alta densidad.
Por qué los límites de densidad han frenado la fusión
La fusión nuclear se considera ampliamente como una fuente potencial de energía limpia y sostenible. En la fusión deuterio-tritio, el combustible debe calentarse a unos 13 keV (150 millones de Kelvin) para alcanzar las condiciones óptimas. A tales temperaturas, la cantidad de energía de fusión producida aumenta con el cuadrado de la densidad del plasma. A pesar de esta ventaja, los experimentos con tokamak se han visto limitados durante mucho tiempo por un límite superior de densidad. Cuando se excede ese límite, el plasma a menudo se vuelve inestable, alterando el confinamiento y amenazando el funcionamiento del dispositivo. Estas inestabilidades han sido un obstáculo importante para mejorar el rendimiento de la fusión.
Un marco teórico más nuevo conocido como autoorganización de la pared de plasma (PWSO) ofrece una explicación diferente de por qué surgen los límites de densidad. El concepto fue propuesto por primera vez por DF Escande et al. del Centro Nacional Francés de Investigación Científica y de la Universidad de Aix-Marsella. Según la teoría PWSO, puede surgir un régimen libre de densidad cuando la interacción entre el plasma y las paredes metálicas del reactor alcanza un estado cuidadosamente equilibrado. En este régimen, la pulverización física juega un papel dominante en la configuración del comportamiento del plasma.
Los experimentos EAST proporcionaron la primera confirmación experimental de esta idea teórica. Los investigadores controlaron cuidadosamente la presión inicial del gas combustible y aplicaron calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico durante la fase de inicio de cada descarga. Esta estrategia permitió optimizar las interacciones plasma-pared desde el principio. Como resultado, la acumulación de impurezas y las pérdidas de energía se redujeron considerablemente, lo que permitió que la densidad del plasma aumentara de manera constante al final del arranque. En estas condiciones, EAST entró con éxito en el régimen libre de densidad previsto por PWSO, donde se mantuvo un funcionamiento estable incluso en densidades que excedían con creces los límites empíricos.
Implicaciones para la ignición por fusión
Estos resultados experimentales ofrecen una nueva visión física sobre cómo se podría romper la antigua barrera de densidad en la operación del tokamak en la búsqueda de la ignición por fusión.
«Los hallazgos sugieren una vía práctica y escalable para ampliar los límites de densidad en tokamaks y dispositivos de fusión de plasma de próxima generación», dijo el profesor Zhu.
Asociado profesional. Yan añadió que el equipo planea aplicar el mismo enfoque durante la operación de alto confinamiento en EAST en un futuro próximo, con el objetivo de alcanzar el régimen libre de densidad en condiciones de plasma de alto rendimiento.