2021-04-06Cómo estabilizar un plasma más caliente que el Sol
Xataka |Los científicos ya están acariciando con la punta de los dedos la solución al que sin duda es uno de los mayores desafíos que plantea la fusión nuclear mediante confinamiento magnético, que es la estrategia por la que ha apostado ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).Como hemos visto en otros artículos, el gas confinado en el interior del reactor está extremadamente caliente: nada menos que a 150 millones de grados centígrados.
Esta cifra impresiona por sí sola, pero aún resulta más sobrecogedora si tenemos presente que el núcleo del Sol alcanza una temperatura de unos 15 millones de grados centígrados, y su superficie está a «solo» 5500 grados centígrados.
El gas confinado en el interior del reactor alcanza una temperatura de nada menos que 150 millones de grados centígrados
Nosotros necesitamos que nuestros reactores de fusión nuclear sean capaces de calentar el plasma, que es el gas extremadamente caliente confinado en su interior, muy por encima de la temperatura del núcleo del Sol debido a que la presión con la que trabajamos es muy inferior a la del núcleo de nuestra estrella.
Si queremos que los núcleos de deuterio y tritio, que son los dos isótopos del hidrógeno que es necesario introducir en el interior del reactor, adquieran la energía cinética que necesitan para vencer su repulsión eléctrica natural y comiencen a fusionarse es necesario que el plasma alcance una temperatura monstruosa.
Precisamente esos 150 millones de grados centígrados de los que hemos hablado. Y, como podemos intuir, manejar un gas a esa temperatura no es nada sencillo.
La estabilización del plasma es uno de los retos que más preocupa a los científicos
La tecnología que es necesario poner a punto para que en la década de los 60 (si nos ceñimos a la última revisión del itinerario que propone EUROfusion) estén listas las primeras centrales eléctricas equipadas con reactores de fusión nuclear es muy compleja.
Los retos que es necesario resolver son titánicos, pero poco a poco los investigadores involucrados en este proyecto van derribando una barrera tras otra.
Uno de los mayores desafíos requiere encontrar nuevos materiales para el manto del reactor (conocido en inglés como blanket), una estructura que recubre el interior de la cámara de vacío y que tiene un cometido crítico: proteger la propia cámara de vacío, el criostato y los imanes del impacto directo de los neutrones de alta energía (14 MeV) que resultan de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.
El proyecto IFMIF-DONES persigue, precisamente, el desarrollo de nuevos materiales que sean capaces de soportar la radiación neutrónica con una degradación mínima. Pero este no es en absoluto el único desafío que tenemos que resolver si queremos que la fusión nuclear llegue a buen puerto.
El manto (blanket) se encuentra en la primera línea de batalla debido a que está expuesto al impacto directo de los neutrones de alta energía resultantes de la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.
Otro reto muy importante consiste en mantener permanentemente bajo control las fluctuaciones del plasma para evitar que llegue a entrar en contacto directo con el manto de la cámara de vacío.
Un grupo de investigadores del MIT lleva algo más de tres años trabajando en la puesta a punto de un nuevo material superconductor conocido como YBCO (Yttrium-Barium-Copper Oxide) que combina óxido de itrio, bario y cobre.
Proponen utilizarlo en los imanes del reactor para que sean capaces de generar un campo magnético sensiblemente más intenso que el que producen los imanes convencionales. Esta estrategia debería facilitar la estabilización del plasma, y, además, podría permitir la construcción de reactores 65 veces más compactos y notablemente más eficientes.
La estrategia de EUROfusion consiste en introducir un tercer ingrediente en la receta
Antes de seguir adelante nos interesa dar un pequeño paso hacia atrás. Cuando el plasma confinado en el interior del reactor alcanza la temperatura crítica y los núcleos de deuterio y tritio comienzan a fusionarse gracias a la energía cinética que han adquirido, surge como resultado de esta reacción un núcleo de helio y el neutrón de alta energía del que hemos hablado unos párrafos más arriba.
Los neutrones tienen una carga eléctrica global neutra, y, por tanto, salen despedidos con mucha energía hacia las paredes del contenedor, en donde les espera el manto, que, como hemos visto, es la primera barrera de contención. Sin embargo, los núcleos de helio-4, que están ionizados al carecer de electrones, y, por tanto, tienen carga eléctrica positiva, permanecen confinados por el campo magnético en el interior del plasma.
A estos núcleos también se les conoce como partículas alfa, y cuando comienzan a aparecer como resultado de las primeras reacciones de fusión entre los núcleos de deuterio y tritio se transforman en un ingrediente más del gas en el que se está llevando a cabo la fusión nuclear.
Hasta hace muy poco los científicos creían que cuando los núcleos de helio-4 comenzasen a ceder su energía a la sopa de partículas su inestabilidad se incrementaría, por lo que esas perturbaciones podrían representar un problema que sería necesario resolver.
Esta recreación del edificio en el que reside el reactor nuclear experimental ITER ha sido elaborada con el software ANSYS que facilita el análisis de la estructura mediante el método de los elementos finitos.
Los reactores experimentales de fusión nuclear disponibles hasta ahora no eran capaces de sostener la reacción de fusión nuclear el tiempo necesario para analizar el impacto que tiene la producción de núcleos de helio-4 en la estabilidad del plasma, pero este panorama ha cambiado recientemente. Y nos invita a mirar hacia el futuro de esta tecnología con optimismo.
Un grupo de investigadores europeos y estadounidenses ha conseguido utilizar el reactor experimental tokamak ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) del Instituto Max Planck de Física del Plasma, ubicado en Múnich (Alemania), para analizar el impacto que tienen los núcleos de helio-4 en las capas más externas del plasma.
Los núcleos de helio-4 ejercen un efecto estabilizador en la zona periférica de la sopa de partículas que compone el plasma
Su trabajo ha sido publicado en la revista científica Physics of Plasmas, y refleja que, a diferencia de lo que creían inicialmente, los núcleos de helio-4 ejercen un efecto estabilizador en la sopa de partículas que compone el plasma. Además, la producción de estos núcleos contribuye a incrementar aún más la temperatura del gas, acelerando la generación de nuevos núcleos de helio-4 e incrementando la producción neta de energía.
No cabe duda de que esta es una gran noticia que, si finalmente se consolida, representará un paso muy importante hacia delante en el esfuerzo por resolver el desafío que plantea la estabilización del plasma. Aún queda mucho por hacer. Muchos retos que también deberán ser superados. Pero parece que con esfuerzo poco a poco seguimos avanzando hacia una nueva forma de obtención de energía que puede llevarnos de la mano de las energías renovables hacia un futuro más esperanzador.
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