Mejora del potencial de la fusión nuclear para la generación de energía
La fusión nuclear podría reemplazar las fuentes de energía fósil y satisfacer las necesidades energéticas de la población mundial. Este es el proceso que suministra energía al Sol y a las estrellas. La energía se produce a través de la fusión de dos isótopos de hidrógeno, el deuterio, extraído del agua, y el tritio, extraído de la corteza terrestre. Con todo, replicar dicho proceso en la Tierra requiere temperaturas extremadamente altas para ionizar por completos los átomos en fusión. La fusión se lleva a cabo en dispositivos de fusión por confinamiento magnético (tokamaks y esteraladores) que aprovechan la energía de fusión en forma de calor y la convierten en vapor y, a continuación, en electricidad a través de turbinas y generadores. No obstante, todo el proceso presenta inestabilidades magnetohidrodinámicas, conocidas como modos localizados en el borde (ELM, por sus siglas en inglés), que conllevan pérdidas de calor y de partículas, y limitan la vida útil de estos reactores de fusión.
Investigación el fenómeno de los ELM
Los investigadores del proyecto financiado con fondos europeos FIREFELM, que contaron con el respaldo del programa Marie Skłodowska-Curie, estudiaron el fenómeno de los ELM mediante la combinación de mediciones de alta resolución con herramientas numéricas de vanguardia. «Los ELM expulsan partículas y energía del plasma de forma parecida a las erupciones solares en el borde del Sol. Comprender y controlar, o incluso suprimir, los ELM tiene una gran importancia para llevar a cabo satisfactoriamente la fisión nuclear», explica la investigadora Eleonora Viezzer. Los investigadores de FIREFELM modelizaron los canales de transporte en un tokamak, lo que brindó información sobre el comportamiento dinámico de los coeficientes de transporte durante el ciclo de los ELM. Descubrieron que la transferencia de calor de iones y electrones se recupera a diferentes escalas temporales, y que los electrones se recuperan más lentamente. Esto reveló que la pérdida energética provocada por los ELM retrasa la recuperación del gradiente térmico de los electrones. Los resultados también sugirieron que el núcleo de plasma podría determinar la dinámica local de la recuperación del gradiente térmico de los electrones durante el ciclo de los ELM. Además, los científicos identificaron un mecanismo de resonancia entre las órbitas de los iones del haz y los campos eléctricos paralelos que podrían estar asociados con los ELM. Pudieron observar, por primera vez, la aceleración de los iones del haz en el tokamak ASDEX Upgrade. Mediante simulaciones numéricas de iones rápidos (partículas con energía supratérmica) y un modelo analítico, los investigadores reprodujeron cualitativamente las observaciones experimentales.
Repercusión y perspectivas de cara al futuro del trabajo de FIREFELM
La fusión nuclear puede proporcionar una fuente de energía limpia, segura y viable sin emisiones de carbono. El deuterio está presente en nuestros océanos y el tritio puede obtenerse a partir del litio que está presente en la corteza terrestre, lo que convierte a la fusión nuclear en una fuente de energía prácticamente ilimitada. En este contexto, el ITER, una iniciativa internacional a gran escala, trabaja en aras de mejorar el proceso de fusión nuclear y transformar los reactores tokamak existentes en las centrales eléctricas de fusión nuclear del futuro. Dado que los ELM constituyen un grave obstáculo para el funcionamiento en régimen estacionario de estos futuros reactores de fusión, el trabajo del proyecto FIREFELM es primordial para contrarrestar dichos fenómenos. «Identificar los mecanismos de transferencia dominantes nos ayudará a entender mejor el ciclo de los ELM y a desarrollar regímenes de alto confinamiento sin ELM», continúa Viezzer. Los descubrimientos de FIREFELM mejoran nuestra comprensión sobre la aceleración y la transferencia de partículas observadas en la corona solar, y ayudan a identificar las similitudes entre el tokamak y los plasmas astrofísicos. Viezzer continúa esta línea de investigación para desarrollar técnicas de control de los ELM gracias a la subvención de inicio del CEI 3D-FIREFLUC.
Palabras clave
FIREFELM, fusión nuclear, modos localizados en el borde (ELM), tokamak, deuterio, tritio
