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Física

Turbulencia creativa

Al estimulares las fluctuaciones aleatorias, se puede aumentar la producción de energía en reactores de fusión nuclear

El NSTX, de la Universidad de Princeton, fue uno de los tokamaks en los cuales se puso a prueba este método con miras a reducir la pérdida de energía

Elle Starkman

Los sistemas turbulentos, con fluctuaciones aleatorias, pueden ser imprevisibles, lo cual dificulta la formulación de modelos explicativos sobre fenómenos naturales. Pero el estímulo, hasta cierta medida, a la presencia de turbulencias, puede ser positivo en el interior de los tokamaks, los reactores experimentales de fusión nuclear donde dos núcleos de diferentes isótopos del átomo de hidrógeno se unen, forman un núcleo del átomo de helio y liberan energía. Esta idea, aparentemente paradójica, fue propuesta por el físico brasileño Vinícius Njaim Duarte, quien lleva adelante una pasantía posdoctoral en la Universidad de Princeton, en Estados Unidos, con el objetivo de atenuar la pérdida de energía en esos reactores de plasma sobrecalentado provocada por un fenómeno conocido como chirping, trino o gorjeo. Este abordaje se propuso inicialmente como teoría; se lo simuló su empleo en computadora y posteriormente se lo probó con éxito, en tres tokamaks. “Cuanto mayor es la turbulencia, menores son las posibilidades de aparición del chirping“, explica Duarte, quien relató los experimentos en un artículo publicado en diciembre del año pasado en la revista Physics of Plasmas del Instituto Americano de Física.

Inaudible a los oídos humanos, el gorjeo es una especie de trinar emitido por ondas que se propagan por el plasma de reactores y técnicamente se asemeja al canto de las aves en algunos aspectos. El chirping emerge de las interacciones entre oscilaciones del plasma y partículas altamente energéticas. Este efecto expulsa a las partículas fuera del equipo, enfriando y comprometiendo la continuidad de las reacciones de fusión nuclear. Cada tokamak exhibe un patrón de chirping distinto, que lo dota de una identidad propia: algunos gorjean mucho, otros, poco.  Este fenómeno también es común en objetos astronómicos y ocurre, por ejemplo, en el plasma de la magnetósfera del Sol, el exterior de la atmósfera de la estrella, llena de partículas cargadas eléctricamente. La turbulencia es, en cierto modo, una característica inherente a los fluidos. En general, no necesita inducírsela y surge naturalmente debido al movimiento de las partículas del plasma. “La turbulencia es, en general, algo indeseable en cualquier sistema, pero, en el caso de los tokamaks, puede llevar a escenarios que posibilitan el aumento de la producción de energía en el plasma”, explica el físico Ricardo Galvão, director del Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) y director de la tesis doctoral de Duarte sobre el tema, defendida a mediados del año pasado en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP).

Galvão lo aceptó como alumno a pedido del físico italiano Roberto Antonio Clemente, del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp). Muy enfermo, Clemente, quien dirigió parcialmente la maestría de Duarte y falleció en 2011, le pidió acoger al estudiante en el doctorado. El físico de la USP vio el potencial de Duarte para la investigación y lo envió a Princeton para trabajar con uno de sus colaboradores, el físico ruso Nikolai Gorelenkov. Su tema original de investigación doctoral estaba ligado a la física de plasmas, pero no a la cuestión del chirping.  “Mientras desarrollaba su tema original, Duarte asistió a seminarios y percibió que ese problema no estaba explicado”, cuenta Galvão.  “Y resolvió, por su cuenta, investigar el tema y el resultado fue excelente: su pasantía tuvo que ser prolongado por un año más, financiada ahora por Princeton, para que pudiera estudiar el chirping. Fue durante ese período que tuvo la idea de controlar al gorjeo de los reactores mediante el estímulo de la turbulencia en el plasma.

Con el objetivo de probar el modelo propuesto por Duarte, se realizaron experimentos específicos en el DIII-D, tokamak, del Departamento de Energía de Estados Unidos que funciona en los laboratorios de la empresa General Atomics en San Diego, California, en los que el plasma fue operado en una geometría peculiar, que sabidamente mitiga la turbulencia. El chirping, normalmente bastante raro en el DIII-D, se mostró predominante en esa geometría. En tokamaks que normalmente presentan mucho chirping, como el NSTX, de Princeton, Duarte y sus colegas de Princeton adoptaron una geometría que favorecía la turbulencia y reducía el problema en el reactor. Antes de confirmar el papel clave de la turbulencia, los investigadores probaron otras hipótesis, como la colisión entre las partículas o sus velocidades de resonancia, pero nada permitía controlar el chirping. “El entendimiento que obtuvimos sobre los plasmas en el laboratorio sería útil también para explicar y controlar el chirping en la naturaleza”, comenta Gorelenkov, coautor del trabajo. Los resultados fueron tan alentadores que el método propuesto por Duarte ser utilizará en otros tokamaks como el Iter, el mayor proyecto de reactor de este tipo, actualmente en construcción en el sur de Francia, cuyo objetivo es demostrar la factibilidad económico-científica de la producción de energía con base en la fusión nuclear. Con previsión para comenzar a operar en 2025, el megatokamak implica la participación de 35 países y una inversión del orden de los 20 mil millones de euros. Se espera es que el Iter sea capaz de generar 10 veces más energía de lo que gasta: 500 megavatios (MW) producidos a partir de 50 MW de potencia inyectada. Sus defensores dicen que, por ser muy grande, el reactor será más eficiente en la producción de energía que sus análogos menores. La fusión nuclear es más segura y resulta en menos desechos radiactivos que la fusión nuclear, actualmente empleada para producir energía en centrales atómicas, en las cuales se rompen los núcleos de los átomos. El problema reside en que los tokamaks actuales, a diferencia de las centrales nucleares, consumen más energía de lo que producen. El mayor experimento de fusión nuclear en funcionamiento del mundo, el JET, ubicado en Culham, Inglaterra, obtuvo una eficiencia máxima del 67%: para generar 16 MW gasta 24 MW.

ITER Organization/ EJF Riche Una imagen de marzo de 2018 registra la construcción, en el sur de Francia, del Iter, que será el mayor reactor de fusión nuclear del mundoITER Organization/ EJF Riche

La energía de las estrellas
En los laboratorios, la física de plasmas intenta imitar a la naturaleza. El proceso de fusión nuclear de los tokamaks es el mismo por el cual las estrellas, como el Sol, producen su energía. En estos objetos celestes, una atracción gravitacional descomunal lleva a los átomos de hidrógeno a estar muy cerca unos de otros, a tal punto que la fusión entre ellos se vuelve inevitable. En teoría, parece sencillo juntar dos isótopos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, pero dentro de los reactores esto no es tan trivial. Para emular las condiciones de las estrellas, en el interior de los tokamaks, los físicos deben agitar bastante los átomos. La temperatura mínima de ignición de las reacciones de fusión en los tokamaks es de unos 150 millones de grados Celsius, 10 veces superior a la del centro del Sol.

El tokamak tiene forma toroidal, similar a la cámara de un neumático. Gira en su interior, confinada por fuertes campos magnéticos, una sopa de plasma de hidrógeno –un estado de la materia en el cual los gases se calientan a punto tal que los electrones escapan de los átomos− y de partículas rápidas, entre ellas núcleos del átomo de helio, también denominados partículas alfa. “Hacer de la fusión un proceso eficiente y autosostenible implica no dejar que las partículas rápidas escapen del reactor, a fin de que puedan transferir su energía al resto del plasma”, explica Duarte.

Proyecto
Modos acústicos geodésicos y continuos de Alfvén en columnas de plasma con rotación (nº 12/22830-2); Modalidad Beca de doctorado; Investigador responsable Ricardo Galvão (USP); Becario Vinícius Njaim Duarte; Inversión R$ 86.783,64 e R$ 78.445,84 (Beca de Pasantía de Investigación en el Exterior, nº 14/ 03289-4).

Artículo científico
DUARTE, V. et al. Theory and observation of the onset of nonlinear structures due to eigenmode destabilization by fast ions in tokamaks. Physics of Plasmas. v. 24, n. 12. dez. 2017.

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