Experimentos en el Tokamak Superconductor Avanzado Experimental de China han confirmado la existencia de "una región libre de densidad" del tokamak, encontrando un método para romper el límite de densidad y proporcionando evidencia física importante para el funcionamiento de alta densidad de dispositivos de fusión de confinamiento magnético.

El tokamak del ESTE (Imagen: Institutos Hefei de Ciencias Físicas)

Un dispositivo tokamak es un dispositivo toroidal que utiliza confinamiento magnético para lograr una fusión nuclear controlada, asemejándose a una 'pista magnética' espiral que se bloquea en plasma de alta temperatura para lograr la fusión nuclear. La densidad del plasma es uno de los parámetros clave del rendimiento del tokamak, que afecta directamente a la velocidad de reacción de fusión. En el pasado, los investigadores descubrieron que existe un límite para la densidad del plasma, conocido como el límite de densidad de Greenwald; Una vez alcanzado este límite, el plasma se rompe y escapa del confinamiento del campo magnético, liberando una enorme energía en la pared interna del dispositivo, lo que afecta la seguridad de funcionamiento. A través de una investigación a largo plazo, la comunidad internacional de fusión ha descubierto que el proceso físico que desencadena el límite de densidad ocurre en la región límite entre el plasma y la pared interna del dispositivo, pero el mecanismo físico subyacente no se entiende completamente.

Un equipo del Instituto de Física del Plasma de la Academia China de Ciencias (ASIPP) en Hefei, provincia de Anhui, desarrolló un modelo teórico de autoorganización de la interacción plasma-pared límite (PWSO), descubriendo el papel crucial de la radiación límite en la activación del límite de densidad y revelando el mecanismo de activación del límite de densidad. Utilizando el entorno operativo de pared totalmente metálica del Tokamak Experimental Superconductor Avanzado (EAST), conocido como el "sol artificial", redujeron la pulverización de impurezas de límite mediante el empleo de métodos como el calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico y el arranque sinérgico precargado, retrasando activamente la aparición del límite de densidad y la ruptura del plasma.

Al controlar las condiciones físicas de la placa objetivo, redujeron la pulverización catódica física dominada por impurezas de tungsteno, controlando el plasma para romper el límite de densidad y guiándolo a una nueva región libre de densidad. El equipo dijo que los resultados experimentales están muy de acuerdo con las predicciones teóricas de PWSO, confirmando por primera vez la existencia de la región libre de densidad en un tokamak. Este trabajo innovador proporciona pistas importantes para comprender el límite de densidad y ofrece evidencia física crucial para la operación de tokamak de alta densidad.

En los experimentos, EAST alcanzó una densidad de electrones promediada en línea en el rango de 1.3 a 1.65 límite de densidad de Greenwald.

"Estos resultados demuestran el potencial de un esquema práctico para aumentar sustancialmente el límite de densidad en tokamaks, que también es pertinente para la puesta en marcha de stellarator .. La ruptura del límite de densidad de Greenwald y el acceso exitoso al régimen libre de densidad como se demuestra en este trabajo abre un camino prometedor hacia el logro de la condición de ignición por fusión ", dijeron los investigadores.

Este trabajo, cuyos resultados fueron publicados en Science Advances, fue un esfuerzo de colaboración entre el Instituto de Física del Plasma, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong y la Universidad de Aix-Marsella, y contó con el apoyo del Proyecto Nacional de Fusión por Confinamiento Magnético. La culminación satisfactoria de esta labor se benefició de la plataforma experimental de paredes metálicas avanzada de EAST y su mecanismo abierto de colaboración para la coordinación de propuestas. Las precisas mediciones diagnósticas de densidad, temperatura, radiación e impurezas desarrolladas por el dispositivo EAST en los últimos años, así como el eficiente método de calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico, han proporcionado un importante soporte técnico para el trabajo en este campo.

Desde que comenzó a funcionar en 2006, EAST ha sido una plataforma de pruebas abierta para que los científicos chinos e internacionales realicen experimentos e investigaciones relacionados con la fusión.