Reactor de fusión nuclear en la Universidad de Sevilla

Un nuevo y único reactor de fusión nuclear culmina su construcción en la Universidad de Sevilla, España, con la contribución del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), un laboratorio nacional de Estados Unidos financiado por el Departamento de Energía. El reactor es de tipo tokamak, esférico y compacto. Se llama SMART (SMall Aspect Ratio Tokamak) y pronto se hará un encendido de prueba.

El PPPL está liderando diferentes esfuerzos en el desarrollo de reactores de fusión nuclear, incluyendo la colaboración en el diseño y desarrollo del SMART, que se beneficia de códigos de simulación del PPPL así como de la experiencia de ese laboratorio en detectores y sensores magnéticos.

“El proyecto SMART es un gran ejemplo de cómo todos trabajamos juntos para resolver los retos presentados por la fusión y como enseñamos a la nueva generación lo que ya hemos aprendido”, subraya Jack Berkery, el subdirector de investigación de PPPL para el NSTX-U (National Spherical Torus Experiment-Upgrade) y principal investigador para la colaboración del PPPL en el SMART. “Tenemos que hacerlo juntos o no se logrará”.

Manuel García Muñoz y Eleonora Viezzer, ambos profesores del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla y líderes del grupo Plasma Science and Fusion Technology y del proyecto SMART, dicen que el PPPL era el compañero ideal para su primer tokamak experimental. El siguiente paso fue decidir qué tipo de tokamak debían construir. “Debía ser uno que una universidad se pudiera permitir, pero también uno que pudiera hacer una contribución única al desarrollo internacional de la fusión”, explica García Muñoz. “La idea fue unir tecnologías que estaban ya establecidas: el tokamak esférico y la triangularidad negativa, creando SMART, el primero, y único, en el mundo. Resultó que fue una idea fantástica”.

El concepto de triangularidad se refiere a la forma del plasma dentro del tokamak. La sección transversal del plasma en un tokamak tiene típicamente la forma de una D mayúscula. Cuando la parte recta de la D mira hacia el centro del tokamak, se dice que tiene triangularidad positiva. Cuando la parte curva mira hacia el centro, el plasma tiene triangularidad negativa.

García Muñoz explica que la triangularidad negativa debería ofrecer mejor rendimiento porque elimina inestabilidades que eyectan partículas y energía del plasma, evitando daños en la pared del tokamak. “Podría cambiar las reglas del juego permitiendo desarrollar reactores de fusión nuclear supercompactos con altas potencias de fusión y mínimas cargas de calor sobre la pared”, destaca. “La triangularidad negativa tiene menor nivel de fluctuaciones dentro del plasma, pero también tiene una mayor área en el divertor para distribuir el escape de calor”.

La forma esférica de SMART debería confinar mejor el plasma, en comparación con si tuviese forma de donut. La forma influye significativamente en términos de confinamiento del plasma. Por esa razón, NSTX-U, el principal experimento de fusión de PPPL, no tiene forma de donut como otros tokamaks: la forma redonda hace más fácil confinar el plasma. SMART será el primer tokamak esférico en explorar completamente el potencial de la triangularidad negativa.

La experiencia del PPPL en algunos códigos de computación ha sido muy importante

El PPPL cuenta con un largo historial de liderazgo en investigación sobre tokamaks esféricos. El equipo de fusión de la Universidad de Sevilla contactó por primera vez con el PPPL para implementar SMART en TRANSP, un software de simulación desarrollado y mantenido por el laboratorio. Docenas de instalaciones usan TRANSP, incluyendo empresas privadas como Tokamak Energy en el Reino Unido.

El SMART siendo construido en la Universidad de Sevilla, en España. (Foto: Universidad de Sevilla. CC BY)

Mario Podesta, antiguo miembro del PPPL, fue clave en el apoyo a la Universidad de Sevilla para determinar la configuración de los haces neutros que deben calentar el plasma del reactor. Este trabajo se tradujo en un estudio publicado en la revista académica Plasma Physics and Controlled Fusion.

Stanley Kaye, director de investigación en NSTX-U, está trabajando con Diego José Cruz Zabala, beneficiario de una beca EUROfusion Bernard Bigot Researcher, del equipo SMART, en el uso de TRANSP “para determinar las corrientes necesarias en las bobinas que dan forma al plasma para alcanzar la forma del plasma deseada en triangularidad positiva y negativa en las distintas fases de operación”. La primera fase, dice Kaye, consistirá en un plasma “básico”. La fase dos incluirá haces neutros para calentar el plasma.

La estabilidad del plasma de SMART ha sido estudiada, mediante códigos numéricos avanzados, por Berkery, un antiguo estudiante colaborador, John Labbate, que actualmente desarrolla su tesis doctoral en la Universidad de Columbia (Estados Unidos) y un antiguo estudiante de doctorado de la Universidad de Sevilla, Jesús Domínguez Palacios que actualmente trabaja para una empresa privada de Estados Unidos.

La colaboración entre SMART y PPPL se extiende también a una de las áreas centrales de experiencia del laboratorio: diagnósticos, esto es dispositivos con sensores para evaluar el comportamiento del plasma. Varios de estos diagnósticos son diseñados por investigadores del PPPL. Los físicos del PPPL Manjit Kaur y Ahmed Diallo, junto con Viezzer, están liderando el diseño del instrumento de tipo Thomson Scattering del SMART, por ejemplo. Este instrumento medirá de forma precisa la temperatura y densidad electrónica durante los experimentos. Esta labor se ha traducido en un estudio titulado “Design of a Thomson scattering diagnostic for the SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART)”, que se ha publicado en la revista académica Review of Scientific Instruments. Estas mediciones se complementarán con medidas de la temperatura, rotación y densidad iónica proporcionadas por el conjunto de instrumentos de espectroscopía por intercambio de carga desarrollada por Alfonso Rodríguez González, un estudiante de doctorado en la Universidad de Sevilla, así como por Cruz Zabala y Viezzer.

“Estos instrumentos pueden tener que operar durante décadas, y esto debemos tenerlo en cuenta cuando diseñamos el sistema,” advierte Kaur. Cuando elaboramos los diseños, fue importante que el instrumental pudiera cubrir los rangos de temperatura que SMART pueda alcanzar en las próximas décadas y no solo los valores iniciales”, explica.

Kaur diseño el dispositivo Thomson scattering desde el inicio del proyecto, seleccionando y comprando las diferentes partes, incluyendo el láser que ella pensaba que mejor se adecuaba a las necesidades. Ella quedó impresionada al ver el resultado de las primeras pruebas cuando Gonzalo Jiménez y Viezzer le mandaron fotos desde España. El test consistía en configurar el láser en un banco óptico y dispararle a una pieza de papel especial que los investigadores llaman “papel de quemado”. Si el láser está bien diseñado, las marcas de quemado serán circulares con bordes suaves. “Los resultados del test inicial del láser fueron fantásticos”, valora ella. “Ahora, esperamos ansiosamente recibir otras piezas para montar y hacer funcionar el instrumento.”

James Clark, un investigador del PPPL cuya tesis doctoral se enfocó en sistemas Thomson scattering, fue más tarde contratado para trabajar con Kaur. “He estado diseñando el camino del láser y la óptica necesaria”, explica Clark. Además de trabajar en la ingeniería del proyecto, Clark ha ayudado con la logística, decidiendo cómo y cuándo las cosas debían ser mandadas, instaladas y calibradas.

El director de proyectos avanzados del PPPL, Luis Delgado Aparicio, junto con Joaquín Galdón Quiroga, beneficiario de una de las prestigiosas becas de excelencia europea Marie Skłodowska-Curie y Jesús Salas Bárcenas, estudiante de doctorado, de la Universidad de Sevilla, están liderando los esfuerzos para añadir otros dos tipos de instrumentos a SMART: uno para rayos X blandos (ME-SXR) y un espectrómetro. El ME-SXR medirá también la temperatura y densidad electrónica usando un enfoque distinto que el sistema Thomson scattering. El ME-SXR usará conjuntos de pequeños componentes electrónicos llamados diodos para medir rayos X. Combinados, el instrumento Thomson scattering y el ME-SXR analizarán exhaustivamente la temperatura y la densidad electrónica.

Observando en las distintas frecuencias de la radiación electromagnética de dentro del tokamak, los espectrómetros pueden proporcionar información sobre las impurezas presentes en el plasma, como el oxígeno, carbono y nitrógeno. “Usamos espectrómetros existentes y diseñamos algunas herramientas para ponerlos en la máquina, incorporando fibras ópticas”, explica Delgado-Aparicio. Otro estudio, publicado en la revista académica Review of Scientific Instruments discute el diseño de este diagnóstico.

El físico investigador del PPPL Stefano Munaretto trabajó en los instrumentos para diagnósticos magnéticos destinados al SMART con el trabajo de campo liderado por el estudiante de doctorado Fernando Puentes del Pozo de la Universidad de Sevilla. “El instrumento es bastante simple”, describe Munaretto. “Es solo un cable enrollado sobre algo. La mayor parte del trabajo consiste en la optimización de la geometría del sensor hasta determinar su tamaño, forma y longitud correctos, seleccionando dónde debe ir colocado y todo el condicionamiento de señal y análisis de datos posterior”. El diseño de los instrumentos para diagnósticos magnéticos en el SMART ha dado lugar a otro estudio.

Los investigadores de la Universidad de Sevilla ya han realizado algunas pruebas preliminares en el tokamak. (Fuente: PPPL)