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Recolectando la energía de fusión de la Tierra con un impulso de un limpiador doméstico común

Los científicos han descubierto que agregar un agente de limpieza doméstico común, el boro mineral que se encuentra en limpiadores como el bórax, puede mejorar en gran medida la capacidad de algunos dispositivos de energía de fusión para contener el calor necesario para producir reacciones de fusión en la Tierra de la misma manera que lo hacen el sol y las estrellas.

Físicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) (PPL) Trabajando con investigadores japoneses, hicieron la observación en el Gran Dispositivo Helicoidal (LHD) en Japón, una instalación magnética retorcida que los japoneses llaman «heliotrón». Los resultados demostraron por primera vez un nuevo sistema para confinar calor a instalaciones conocidas como estrellas, similar al heliotrón. Los hallazgos podrían promover el diseño peculiar como modelo para futuras plantas de energía de fusión.

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Los investigadores produjeron el sistema de confinamiento superior inyectando pequeños granos de polvo de boro en el LHD. plasma que alimentan las reacciones de fusión. La inyección a través de un cuentagotas montado en PPPL redujo los vórtices y los vórtices turbulentos y elevó el calor confinado que producía las reacciones.

«Podemos ver este efecto muy claramente», dijo Federico Nespoli, físico de PPPL, autor principal de un nuevo artículo de investigación que detalla el proceso en la revista. Física de la naturaleza. «Cuanta más energía pongamos en el plasma, mayor será el aumento de calor y confinamiento, lo que sería ideal en las condiciones reales del reactor».

Federico Nespoli en un gran engranaje espiral

Federico Nespoli, físico PPPL en el Gran Sistema Helicoidal en Japón. (Foto cortesía del Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión de Japón. Crédito: Collage de Kiran Sudarsanan

David Gates, físico investigador principal de PPPL que dirige la División de Proyectos Avanzados que ha supervisado el trabajo, dijo: “Estoy muy entusiasmado con estos excelentes resultados que Federico ha escrito en este importante artículo sobre nuestra colaboración con el equipo en el gran dispositivo helicoidal. «Cuando lanzamos este proyecto – Cuentagotas de polvo de impurezas LHD – en 2018, esperábamos que pudiera haber un efecto en la retención de energía. Las observaciones son mejores de lo que esperábamos con la supresión de la turbulencia en una gran parte del radio de plasma. Estoy muy agradecidos con nuestros colegas japoneses por darnos la oportunidad de que nuestro equipo participe en estos experimentos».

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Los resultados también complacieron a los investigadores japoneses. «Estamos muy complacidos y emocionados de tener estos resultados», dijo Masaaki Osakabe, director ejecutivo del proyecto LHD y asesor científico para la investigación de fusión nuclear en el Ministerio de Energía Nuclear MEXT de Japón. “También nos sentimos honrados de cooperar con PPPL”, dijo Osakabe. «Los resultados revelados a través de esta colaboración proporcionarán una buena herramienta para controlar plasmas de alto rendimiento en un reactor de fusión».

concepto prometedor

Los stellarators, creados por primera vez en la década de 1950 bajo la dirección del fundador de PPPL, Lyman Spitzer, son un concepto prometedor que hace tiempo que ha dejado a las instalaciones magnéticas simétricas llamadas tokamaks como el dispositivo líder para producir energía de fusión. Una historia de confinamiento térmico relativamente pobre ha jugado un papel en la retención de las estrellas, que pueden operar en un estado estable con poco riesgo de perturbaciones de plasma que enfrenta el tokamak.

Fusion combina los elementos de la luz en forma de plasma, el estado caliente y cargado de la materia formado por electrones libres y núcleos atómicos, o iones, que constituyen el 99 por ciento del universo visible, para liberar cantidades masivas de energía. Los tokamaks y stellarators son los principales diseños magnéticos para los científicos que buscan energía de fusión segura, limpia y prácticamente ilimitada para generar energía de fusión para la humanidad.

Aunque el boro se ha utilizado durante mucho tiempo para acondicionar las paredes y mejorar el confinamiento en el tokamak, los científicos nunca antes habían visto una «reducción generalizada de la turbulencia y la temperatura».

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un aumento como el informado en este artículo «, según el documento. Además, ausente de las observaciones estaba la destrucción de ráfagas de calor y partículas, llamadas modos locales de borde (ELM), que pueden ocurrir en tokamaks y estrellas durante alto confinamiento o experimentos de fusión modal h.

El trabajo de investigación dijo que la mejora observada en el calor y el confinamiento en el plasma LHD probablemente se deba a una reducción en la inestabilidad del llamado gradiente de temperatura de iones (ITG), que da como resultado una perturbación que hace que el plasma se escape del confinamiento. La reducción de la turbulencia contrasta con un tipo de pérdida de calor llamado «transporte neoclásico», que es la otra razón principal por la que las partículas escapan de excelente confinamiento.

nueva ronda

Ahora está en marcha una nueva ronda de experimentos LHD que probará si la mejora en el calor y el confinamiento se mantiene para un rango creciente de tasas de inyección de masa, densidad de plasma y fuerza de calentamiento. Nespoli y sus colegas también quieren saber si el carbón en polvo puede actuar como el boro. «El boro crea una capa en la pared que es buena para atrapar y el carbono no», dijo. «Queremos ver si todo el polvo es bueno o si es el boro lo que mejora las condiciones».

Los objetivos adicionales incluyen evaluar la capacidad del boro para mejorar el rendimiento del plasma durante LHD de estado estable, que puede descargar plasma durante períodos muy largos de hasta 1 hora. Experimentos como estos podrían producir nuevas pruebas del valor del diseño astral en el futuro.

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Referencia: “Observación de un sistema de baja turbulencia con una inyección de polvo de boro en una estrella” por F. Nespoli, S. Masuzaki, K.; K. Ida, M. Yoshinuma, Y. Takemura, T. Kinoshita, G. Motojima, N. Kenmochi, G. Kawamura, C. Suzuki, A. Nagy, A. Bortolon, N. A. Pablant, A. Mollen, N. Tamura , Da Gates y T. Morisaki, 10 de enero de 2022, disponible aquí. Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01460-4

El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.