Las reacciones de fusión continuas y sostenidas como las de nuestro Sol se basan en la combustión de plasmas. El plasma, uno de los cuatro estados fundamentales de la materia, consiste en un gas de iones y electrones libres. Un plasma ardiente es aquel en el que la mayor parte del calentamiento del plasma proviene de reacciones de fusión que involucran iones de plasma térmico.
En el Sol, esas reacciones de fusión involucran iones de hidrógeno. Las altas temperaturas necesarias para mantener las reacciones de fusión se mantienen mediante el proceso de “autocalentamiento” en el que la energía de la reacción de fusión calienta los iones de plasma térmico a través de colisiones de partículas. Un plasma entra en lo que los científicos llaman régimen de plasma ardiente cuando la potencia de autocalentamiento supera cualquier calentamiento externo.
Muchos nuevos desafíos científicos aguardan a los científicos en las fronteras de la ciencia del plasma ardiente, incluida la comprensión y el control de un plasma autoorganizado fuertemente acoplado; gestión del calor y las partículas que alcanzan las superficies expuestas al plasma; demostración de tecnología de reproducción de combustible; y la física de las partículas energéticas. El tokamak ITER será el primer experimento de confinamiento magnético para explorar estos problemas de plasma en llamas.
Los científicos e ingenieros de fusión del ITER investigarán la física, la ingeniería y las tecnologías asociadas con el plasma autocalentable. Todos estos problemas son críticos para el objetivo más amplio de ITER de utilizar reacciones de plasma de autocalentamiento para convertirse en el primer dispositivo de energía de fusión que produce más energía de la que consume, un gran paso hacia la producción comercial de energía de fusión.
Datos sobre el plasma ardiente
- El Sol es un plasma en llamas que ha alcanzado la “ignición”, lo que significa que la temperatura del plasma del Sol se mantiene únicamente por la energía liberada por la fusión. El Sol ha estado quemando hidrógeno durante 4.500 millones de años y está aproximadamente a la mitad de su ciclo de vida.
- Para alcanzar las temperaturas relevantes para la fusión, el tokamak ITER calentará los plasmas utilizando tres métodos. El calentamiento óhmico implica el calor generado por la resistencia a la corriente de plasma, muy parecido a cómo se calientan las bobinas de una tostadora. La inyección de haz de partículas neutras consiste en calentar el plasma inyectando partículas de alta energía en el tokamak. La radiación electromagnética de alta frecuencia consiste en calentar el plasma mediante la transferencia de energía de la radiación electromagnética a las partículas del plasma.
Oficina de Ciencias del DOE: Contribuciones a la ciencia del plasma ardiente
El Departamento de Energía brinda un apoyo significativo a la investigación y el desarrollo relacionados con la combustión de plasmas. Las actividades de investigación del DOE se administran bajo el programa Fusion Energy Sciences (FES) dentro de la Oficina de Ciencias del DOE. El programa FES apoya a la Organización de Burning Plasma de EE. UU. (USBPO). El USBPO es una organización nacional de científicos e ingenieros financiados por la FES que participan en la investigación de las propiedades de los plasmas de fusión de combustión confinados magnéticamente . El DOE también apoya la construcción del proyecto internacional ITER a través del programa FES y la Oficina de Proyectos ITER de EE. UU. La instalación ITER será capaz de acceder al régimen de plasma ardiente y tiene como objetivo producir 500 MW de potencia de fusión durante 400 segundos con niveles de potencia de autocalentamiento que superan la potencia de calefacción externa por un factor de dos.