La fusión nuclear es una de las fuentes de energía más prometedoras del mañana, especialmente en el contexto de la crisis climática. Físicos de la EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), en el marco de una amplia colaboración europea, han revisado recientemente una de las leyes fundamentales de la fusión nuclear, denominada “límite de Greenwald”. Durante tres décadas, esta ley ha sido la base de la investigación del plasma y la fusión, incluido el diseño de megaproyectos como el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). El equipo de físicos descubrió que era posible duplicar la cantidad de hidrógeno inyectado en un reactor termonuclear para producir el doble de energía. Este descubrimiento vuelve a trazar los límites de la fusión, cuando algunos expertos creen que los primeros reactores para uso industrial solo será rentable a partir de 2040-2050.
O Fusión nuclear implica combinar dos núcleos atómicos en uno, liberando cantidades significativas de energía. Es este proceso el que opera dentro del Sol. Por lo tanto, el calor proviene de la fusión de núcleos de hidrógeno en átomos de helio más pesados.
En Francia, en el departamento de Bouches-du-Rhône, 35 países participan en la construcción del tokamak más grande jamás diseñado, como parte del proyecto ITER. El tokamak es una máquina experimental diseñada para aprovechar la energía de fusión. En el caso de un tokamak, la energía generada por la fusión de los núcleos atómicos es absorbida, en forma de calor, por las paredes de la cámara de vacío. Al igual que las plantas de energía convencionales, una planta de energía de fusión usará este calor para producir vapor y luego, a través de turbinas y generadores, electricidad.
ITER tiene como objetivo demostrar que la fusión, «la energía de las estrellas», se puede utilizar como fuente de energía libre de CO2 a gran escala para producir electricidad. Su principal objetivo es crear un plasma de alta temperatura que proporcione el entorno ideal para que se produzca la fusión y se produzca energía. Los resultados del programa científico ITER serán decisivos para allanar el camino hacia las plantas de fusión generadoras de energía del mañana.
Como parte de la mejora continua de estos reactores, los físicos de EPLF revelan que es posible utilizar, con total seguridad, una mayor cantidad de hidrógeno y así obtener más energía de lo que se pensaba. Esta revisión del límite de Greenwald se pondrá en marcha para las pruebas en el reactor ITER una vez que esté en funcionamiento. La nueva ecuación, que actualiza este límite, se publica en la revista Cartas de revisión física.
Un nuevo umbral para los tokamaks, futuros productores de energía limpia
Los científicos han estado trabajando durante más de 50 años para lograr una fusión controlada viable. A diferencia de la fisión nuclear, que produce energía al romper núcleos atómicos muy grandes, la fusión nuclear podría generar mucha más energía al unir núcleos muy pequeños. Además, el proceso de fusión genera muchos menos (casi ninguno) desechos radiactivos que la fisión, y desechos ricos en hidrógeno. neutronesutilizado como combustible, es relativamente fácil de obtener.
Como se mencionó anteriormente, la reacción nuclear aquí es idéntica a la que ocurre dentro del Sol, utilizando átomos de hidrógeno. Sin embargo, en la Tierra, la presión que prevalece en el corazón de una estrella no es reproducible. Esta presión es necesaria para convertir el hidrógeno en plasma, el medio en el que los átomos de hidrógeno pueden fusionarse y generar energía. Por tanto, es necesario llevar los gases a una temperatura 10 veces superior a la del Sol, es decir, unos 150 millones de grados centígrados.
Como resultado, en el corazón de un tokamak, formado por una cámara de vacío en forma de anillo, bajo la influencia de temperaturas y presiones extremas, el hidrógeno gaseoso se convierte en plasma. En el recinto, la energía generada por la fusión de los núcleos atómicos es absorbida en forma de calor por las paredes de la cámara de vacío. Se utilizan campos magnéticos muy fuertes para confinar y controlar el plasma.
Varios proyectos de energía de fusión se encuentran ahora en un estado avanzado. Sin embargo, ITER no fue diseñado principalmente para producir electricidad, sino para probar los límites de producción y definir las condiciones exactas para llevar a cabo tales reacciones de fusión. Sin embargo, se están diseñando tokamaks basados en ITER, llamados reactores DEMO, que podrán operar hasta 2050 para generar electricidad.
Paolo Ricci, del Swiss Plasma Center (EPFL), explica en un comunicado : » Para producir un plasma para fusión se deben tener en cuenta tres elementos: una alta temperatura, una alta densidad de hidrógeno y un buen confinamiento. “Por eso, uno de los límites de la producción de plasma en un tokamak es la cantidad de hidrógeno que se le puede inyectar. De hecho, cuanto mayor es la densidad, más difícil es mantener estable el plasma obtenido.
Más precisamente, cuanto más combustible se inyecta a la misma temperatura, más ciertas partes del plasma se enfrían y más difícil es que la corriente fluya en este último, provocando perturbaciones. Paolo Ricci explica en términos simples: “ Hemos perdido completamente la contención y el plasma se va por todas partes. En la década de 1980, intentamos encontrar un tipo de ley que nos permitiera predecir la densidad máxima de hidrógeno que podemos inyectar en un tokamak. «. Fue descubierto en 1988 por el físico Martin Greenwald, y establece una correlación entre la densidad del combustible, el radio más pequeño del tokamak (el radio del círculo interior del anillo) y la corriente que circula en el plasma interior. Hasta ahora, los experimentos realizados con estas máquinas confirmaron este “límite de Greenwald”, que está en el corazón de la estrategia de construcción del ITER.
historia del plasma
Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el límite de Greenwald podría mejorarse. Para probar su hipótesis, en colaboración con equipos de otros tokamaks, el Swiss Plasma Center diseñó y llevó a cabo un experimento revolucionario que permite utilizar tecnología muy sofisticada para controlar con precisión la cantidad de combustible inyectado en un tokamak. Se llevaron a cabo experimentos masivos en los tokamaks más grandes del mundo, el Joint European Torus (JET) en el Reino Unido, el ASDEX Upgrade en Alemania (Instituto Max Planck) y el tokamak TCV en la EPFL.
Al mismo tiempo, Maurizio Giacomin, estudiante de doctorado en el equipo de Paolo Ricci, comenzó a analizar los procesos físicos que limitan la densidad en los tokamaks, para establecer una ley fundamental que permitiera la correlación entre la densidad del combustible y el tamaño de los tokamaks. Parte de este trabajo implicó el uso de una simulación de plasma avanzada realizada utilizando un modelo informático.
La clave fue el descubrimiento de que un plasma puede soportar una mayor densidad de combustible a medida que aumenta la potencia de una reacción de fusión. En otras palabras, los tokamaks como el ITER pueden usar de manera efectiva casi el doble de la cantidad de combustible para producir plasmas sin temor a perturbaciones. Paulo Ricci dice: Este resultado es importante porque muestra que la densidad que se puede lograr en un tokamak aumenta con la potencia necesaria para operarlo. DEMO operará a una potencia significativamente mayor que los actuales tokamaks e ITER, lo que significa que se puede agregar una mayor densidad de combustible sin limitar la producción, contrariamente a lo que pretendía la ley de Greenwald. Y esa es una muy buena noticia. «.