Expertos de la Universidad de Sevilla y del Centro Nacional de Aceleradores han dado un paso más en el estudio de la fusión nuclear que, en la actualidad, se presenta como una de las alternativas más prometedoras para dar solución a los problemas de demanda energética del planeta. En concreto, el trabajo publicado recientemente en la revista científica Physical Review Letters presenta la primera medida experimental de iones rápidos acelerados por modos localizados en el borde del plasma (ELMs por sus siglas en inglés) en un reactor de fusión por confinamiento magnético.

La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos de elementos ligeros reaccionan dando lugar a un núcleo más pesado y liberando una gran cantidad de energía. Es la fuente de energía que alimenta a las estrellas y se presenta como una verdadera alternativa energética gracias a la abundancia del fuel necesario (deuterio y tritio) y a que no se generan gases de efecto invernadero ni residuos radiactivos de larga duración.

Reactor de fusión nuclear

“El reto es complicado, pues para conseguir las condiciones necesarias para la fusión nuclear es necesario calentar el combustible del reactor – en estado de plasma – hasta temperaturas similares a las de las estrellas. Esto es posible hoy en día en reactores experimentales – tokamaks – que confinan el plasma mediante la aplicación de campos magnéticos muy intensos”, explica uno de los autores del estudio, el investigador de la US Joaquín Galdón.

Pero, señalan los expertos, hay que tener en cuenta que los altos gradientes de presión que se concentran en el borde del plasma generan inestabilidades magnetohidrodinámicas (ELMs) que ocurren de manera cíclica, provocando una pérdida transitoria en el confinamiento de las partículas del plasma, y limitando así la vida útil del reactor.

Esta pérdida cíclica del confinamiento afecta también a los iones rápidos: aquellas partículas de mayor energía y encargadas de elevar la temperatura del plasma para que puedan darse las reacciones de fusión.

En este sentido, se ha observado, por primera vez, la aceleración de iones rápidos durante ELMs a través de medidas directas de pérdidas de iones rápidos en el tokamak ASDEX Upgrade del Instituto Max-Planck para Física del Plasma de Garching (Alemania). Para explicar esta aceleración, se ha propuesto como mecanismo una interacción resonante entre los iones rápidos y los campos eléctricos que surgen durante el ELM, cuando se cree que tiene lugar la reconexión magnética. Así, únicamente los iones cuyas órbitas se mantengan en fase con los campos eléctricos serán susceptibles de ganar energía de forma neta.

Estas medidas pueden ayudar a mejorar los modelos actuales de ELMs en los códigos de simulación para entender la inestabilidad y su interacción con las partículas energéticas. Además, estas observaciones pueden contribuir a comprender mejor los procesos que dan lugar a la aceleración de partículas cargadas en un amplio espectro de plasmas que podemos encontrar en el universo, como pueden ser, por ejemplo, las llamaradas solares, cuyas similitudes con los ELMs son frecuentemente reseñadas.

Referencias:

Beam-ion Acceleration during Edge Localized Modes in the ASDEX Upgrade tokamak. J. Galdón-Quiroga, M. García-Muñoz, K. G. McClements, M. Nocente, M. Hoelzl, A. S. Jacobsen, F. Orain, J. F. Rivero-Rodriguez, M. Salewski, L. Sanchis-Sanchez, W. Suttrop, and E. Viezzer (the ASDEX Upgrade Team, the Eurofusion MST1 Team). Phys. Rev. Lett. 121, 025002 – Published 10 July 2018. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.025002