El Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad estadounidense de Princeton (PPPL) y la Universidad española de Sevilla colaboran conjuntamente en el diseño y desarrollo de un innovador ingenio de fusión nuclear, ya instalado en campus andaluz. Se trata del proyecto SMART.
En Review of Scientific Instruments se difunde el trabajo en el que se describe el diseño de un diagnóstico de dispersión de Thomson (TS) para su uso en el SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART).
Fuente: Ministerio de Hacienda de España
Se trata de un tokamak esférico que se está poniendo en servicio en España, y que tiene como objetivo explorar escenarios de plasma de triangularidad positiva y negativa, con una relación de aspecto baja.
Al igual que los átomos se unen para liberar su energía, diversos grupos de investigadores de todo el mundo unen sus conocimientos para resolver la crisis energética mundial.
Aprovechar el poder de la fusión del plasma como fuente de energía confiable para la red eléctrica no es una tarea fácil y requiere contribuciones globales.
El Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), financiado por el Departamento de Energía (DOE), lidera varios esfuerzos en este frente, incluida la colaboración en el diseño y desarrollo de un nuevo dispositivo de fusión en la Universidad de Sevilla.
SMART se beneficia enormemente de los códigos informáticos del PPPL, así como de la experiencia del laboratorio en sistemas magnéticos y de sensores.
“El proyecto SMART es un gran ejemplo de cómo trabajamos juntos para resolver los desafíos que presenta la fusión y enseñar a la próxima generación lo que ya hemos aprendido”, explica Jack Berkery, subdirector de investigación del PPPL para el National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) e investigador principal en la colaboración del PPPL con SMART.
Tokamak para lograr la fusión nuclear
Manuel García-Muñoz y Eleonora Viezzer, ambos profesores del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla, así como codirectores del Laboratorio de Ciencia del Plasma y Tecnología de Fusión y del proyecto SMART, afirman que PPPL parecía el socio ideal para su primer experimento con tokamak.
El siguiente paso era decidir qué tipo de tokamak debían construir. “Tenía que ser uno que una universidad pudiera permitirse, pero también uno que pudiera hacer una contribución única al panorama de la fusión a escala universitaria. La idea era unir tecnologías que ya estaban establecidas: un tokamak esférico y de triangularidad negativa, convirtiendo a SMART en el primero de su tipo. Resultó ser una idea fantástica”, matiza García-Muñoz.
La triangularidad se refiere a la forma del plasma en relación con tokamak. La sección transversal del plasma tiene típicamente la forma de la letra D mayúscula. Cuando la parte recta de la D se orienta hacia el centro del tokamak, se dice que tiene triangularidad positiva. Cuando la parte curva del plasma se orienta hacia el centro, el plasma tiene triangularidad negativa.
García-Muñoz matiza que la triangularidad negativa debería ofrecer un mejor rendimiento porque puede suprimir las inestabilidades que expulsan partículas y energía del plasma, evitando daños en la pared del tokamak. “Es un potencial punto de inflexión con un rendimiento de fusión atractivo y un manejo de potencia para futuros reactores de fusión compactos. La triangularidad negativa tiene un nivel menor de fluctuaciones dentro del plasma, pero también tiene un área de desvío más grande para distribuir el calor de escape”, añade.
Forma esférica
La forma esférica de SMART debería permitir confinar mejor el plasma que si tuviera forma de rosquilla. La forma es muy importante en términos de confinamiento del plasma. Por eso NSTX-U, el principal experimento de fusión de PPPL, no es tan pequeño como otros tokamaks: su forma más redondeada facilita el confinamiento del plasma. SMART será el primer tokamak esférico que explore por completo el potencial de una forma particular del plasma, conocida como triangularidad negativa.
Fuente: Princeton University
Cabe recordar que PPPL tiene una larga trayectoria de liderazgo en la investigación de tokamaks esféricos. El equipo de fusión de la Universidad de Sevilla se puso en contacto por primera vez con PPPL para implementar SMART en TRANSP, un software de simulación desarrollado y mantenido por el laboratorio. Decenas de instalaciones utilizan TRANSP, incluidas empresas privadas como Tokamak Energy en Gran Bretaña.
Mario Podesta, ex miembro de PPPL, contribuyó de forma fundamental a que la Universidad de Sevilla determinara la configuración de los haces neutros utilizados para calentar el plasma. Ese trabajo culminó en un artículo publicado en Plasma Physics and Controlled Fusion.
La colaboración entre SMART y PPPL también se ha extendido a una de las principales áreas de especialización del laboratorio: los diagnósticos, que son dispositivos con sensores para evaluar el plasma. Varios de estos diagnósticos se diseñan en el PPPL, como el de dispersión de Thomson de SMART que medirá con precisión la temperatura y la densidad de los electrones del plasma durante las reacciones de fusión, como se detalla en el nuevo artículo publicado en Review of Scientific Instruments.
Temperatura y densidad de electrones en la fusión nuclear
Estas mediciones se complementarán con mediciones de temperatura, rotación y densidad de iones proporcionadas por diagnósticos conocidos como la suite de espectroscopia de recombinación de intercambio de carga desarrollada, entre otros, por Cruz-Zabala y Alfonso Rodríguez-González, de la Universidad de Sevilla.
Luis Delgado-Aparicio, director de proyectos avanzados de PPPL, junto con Joaquín Galdón-Quiroga, becario Marie Skłodowska-Curie, y Jesús Salas-Bárcenas, estudiante de posgrado de la Universidad de Sevilla, lideran los esfuerzos para añadir otros dos tipos de diagnósticos a SMART: un diagnóstico de rayos X suaves multienergía (ME-SXR) y espectrómetros. El ME-SXR también medirá la temperatura y la densidad de electrones del plasma, pero utilizando un enfoque diferente al del sistema de dispersión de Thomson.
El ME-SXR utilizará conjuntos de pequeños componentes electrónicos llamados diodos para medir los rayos X. Combinados, el diagnóstico de dispersión de Thomson y el ME-SXR analizarán exhaustivamente la temperatura y la densidad de electrones del plasma.
Los investigadores de la Universidad de Sevilla ya han realizado una prueba en el tokamak, mostrando el brillo rosado del argón cuando se calienta con microondas. Este proceso ayuda a preparar las paredes internas del tokamak para un plasma mucho más denso contenido a una presión más alta.
Si bien técnicamente ese brillo rosado proviene de un plasma, está a una presión tan baja que los investigadores no lo consideran su primer plasma de tokamak real.
