La clave para controlar el plasma en un reactor de fusión nuclear

Los plasmas en los dispositivos productores de energía mediante fusión nuclear son difíciles de controlar. Estos gases supercalientes están a temperaturas del orden de millones de grados, y se les debe mantener lejos de las superficies del recipiente cerrado al vacío que los contiene, lo cual se hace utilizando fuertes campos magnéticos. Cuando el gas supercaliente se vuelve inestable puede tocar las paredes de la cámara. El resultado de este contacto es que el plasma se enfría con rapidez y ello trunca la reacción de fusión nuclear. Además, las perturbaciones de esta clase podrían llegar a dañar las paredes de los futuros dispositivos productores de energía por fusión nuclear.

El equipo de Jack Berkery y Steve Sabbagh, ambos de la Universidad de Columbia en la ciudad estadounidense de Nueva York, y que trabajan en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, perteneciente al Departamento de Energía del Gobierno Estadounidense, ha ideado una posible forma de evitar estas inestabilidades.

Los científicos expertos en fusión nuclear pensaban anteriormente que hacer rotar al plasma lo estabilizaría, pero Sabbagh y Berkery descubrieron que hay una conexión más complicada entre rotación y estabilidad. Algunos plasmas se vuelven inestables cuando giran demasiado rápido, mientras que otros pueden mantener la estabilidad con ritmos de rotación más bajos. Cuando la rotación del plasma es mantenida en un rango favorable, las partículas cargadas de plasma que rebotan de un lado a otro en el campo magnético pueden en realidad robar parte de la energía del movimiento de rotación, lo que ayuda a estabilizar el plasma. Una condición de estabilidad similar se aplica a la frecuencia con la que las partículas chocan y rebotan entre sí, una propiedad llamada “colisionabilidad”. Berkery y Sabbagh encontraron que una colisionabilidad reducida, como la que se estima que tendrán los futuros plasmas de fusión nuclear, no necesariamente lleva a una menor estabilidad. Esto contradice la creencia largamente mantenida acerca de los efectos de las colisiones sobre esta última.

Usando estas ideas, los autores del nuevo estudio confeccionaron un “mapa de estabilidad” que permite a un plasma ser vigilado en tiempo real (con una resolución de una milésima de segundo) para determinar si está estable y cuán cerca está de dejar de serlo. Sabiendo lo rápido que está rotando el plasma y cuál es su colisionabilidad en cada instante, es factible usar el mapa de estabilidad para realizar los ajustes necesarios al sistema.

Mapa de estabilidad de un plasma de fusión en el NSTX (National Spherical Torus Experiment). El azul indica estabilidad, y el rojo inestabilidad. A medida que disminuye la colisionabilidad del plasma y se incrementa su rotación con el paso del tiempo, efectúa una transición hacia una región inestable. (Imagen: Princeton Plasma Physics Laboratory)

A medida que el plasma evoluciona con el paso del tiempo, su colisionabilidad se reduce y su rotación se incrementa. Estos cambios llevan a que el plasma se desestabilice, y se pierde su confinamiento, lo que acaba truncando la reacción de fusión.

Controlar la rotación con arreglo al mapa de estabilidad podría permitir dirigir el plasma de vuelta a la región estable, evitando por tanto que la reacción de fusión cese.

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