Una colaboración internacional liderada por el equipo de Ciencias del Plasma y Tecnologías de Fusión de la Universidad de Sevilla ha demostrado que las partículas energéticas juegan un papel fundamental en la estabilidad del borde de los plasmas de fusión en tokamaks. Los hallazgos han sido publicados en Nature Physics y podrían ser clave para el diseño de centrales de fusión nuclear más compactas y eficientes.

El desarrollo de fuentes de energía sostenibles que puedan satisfacer la demanda energética mundial es uno de los mayores desafíos científicos de la humanidad. La fusión nuclear, la fuente de energía de las estrellas, es una fuente de energía limpia y virtualmente ilimitada que se presenta como uno de los candidatos más prometedores.

El diseño de reactor de fusión más satisfactorio hasta la fecha está basado en el concepto de tokamak, el cual usa campos magnéticos para confinar el plasma. Lograr el confinamiento del plasma es clave para el correcto funcionamiento de las centrales de fusión nuclear; este es el objetivo de ITER, el tokamak más grande del mundo que se encuentra actualmente en construcción en Cadarache (Francia). El confinamiento, y eficiencia del reactor depende, en gran medida, de la estabilidad del borde del plasma. En los tokamaks actuales, las inestabilidades del borde del plasma conocidas como ELMs (del inglés, Edge Localized Modes, que significa “modos localizados en el borde” en español) producen una pérdida significativa de partículas y de energía, como lo hacen las llamaradas solares en el borde del Sol. Las pérdidas de partículas y de energía producidas por los ELMs pueden erosionar las paredes del tokamak, depositando en ellas flujos de calor que, en futuros reactores de fusión, serían inaceptables.

Las partículas energéticas son una fuente esencial de momento y energía en reactores de fusión. Estas deben permanecer confinadas hasta que depositan su energía en el plasma mediante colisiones para garantizar que la reacción de fusión sea autosostenida. Una colaboración internacional ha estudiado recientemente el impacto de estas partículas energéticas en los ELMs. El equipo de científicos ha llevado a cabo tanto experimentos como simulaciones usando las supercomputadoras más avanzadas en el mundo para entender el comportamiento de los ELMs en presencia de estas partículas energéticas. Los científicos llevaron a cabo las medidas experimentales en el tokamak ASDEX Upgrade, que es un dispositivo de fusión localizado en el Instituto Max Planck para Física del Plasma (Garching, Alemania). Las simulaciones se realizaron mediante el código híbrido MEGA, el cual permite calcular la interacción de forma autoconsistente entre los ELMs y las partículas energéticas. La comparación entre las simulaciones y los experimentos ha proporcionado una nueva comprensión de la física de los ELMs en presencia de las partículas energéticas. Los resultados señalan que la estructura espacial de los ELMs, así como su evolución temporal, se ve enormemente afectada por la población de partículas energéticas e indican, a su vez, el carácter resonante del intercambio de energía entre estas partículas energéticas y los ELMs.

Este mecanismo de interacción ayuda a entender el comportamiento observado experimentalmente en los ELMs en presencia de partículas energéticas. Este trabajo ha sido realizado bajo el paraguas del consorcio de fusión europeo (EUROfusion) y ha sido recientemente publicado en Nature Physics.

“En nuestra publicación, hemos demostrado que los efectos cinéticos de las partículas energéticas pueden alterar la estructura espacial y la evolución temporal de los ELMs. El efecto es similar al surfista cuando coge una ola. En dicho caso, el surfista deja huellas en la ola cuando la coge. En el plasma, las partículas energéticas interaccionan con las ondas magnetohidrodinámicas (en nuestro caso, el ELM) pudiendo cambiar su patrón espacial y temporal. Nuestros resultados pueden tener importantes implicaciones para la optimización de técnicas de control de ELMs. Por ejemplo, podríamos usar las partículas energéticas como agente activo en el control de estas ondas magnetohidrodinámicas”, según aclara Jesús José Domínguez-Palacios Durán, autor principal del artículo.

Este trabajo es innovador puesto que proporciona, por primera vez, una comprensión detallada de la interacción entre las partículas energéticas y los ELMs. Los resultados indican que, en ITER, cabe esperar un gran intercambio de energía y momento entre los ELMs y las partículas energéticas.

Este trabajo ha recibido financiación del Consejo de Investigación Europeo, el consorcio EUROfusion, el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades y la Junta de Andalucía.

Imagen. Representación esquemática del tokamak ASDEX Upgrade. Fuente: US