Imán levitador lleva la física espacial a la fusión

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Reactor LDX
El reactor del Experimento de Dipolo de Levitación está alojado dentro de una estructura de acero de 6 metros en un edificio del campus del MIT que también alberga otro reactor de fusión del MIT, un tokamak conocido como Alcator C-mod. Imagen cortesía del equipo LDX.

Las pruebas sobre una máquina experimental que imita el campo magnético de un planeta demuestran que puede ofrecer una “vía alternativa” para domesticar la fusión nuclear para generación de energía.

Un nuevo experimento que reproduce el campo magnético de la Tierra y otros planetas ha arrojado sus primeros resultados significativos. Los hallazgos confirman que esta aproximación única tiene algún potencial para desarrollarse como una nueva forma de crear una planta de producción de energía basada en la fusión nuclear — el proceso que genera la prodigiosa emisión de energía del Sol.

La fusión ha sido un objetivo deseado por los físicos y los investigadores en energía desde hace más de 50 años. Esto se debe a que ofrece la posibilidad de un suministro de energía casi infinito sin emisiones de carbono y muchos menos residuos radiactivos que los producidos por las plantas nucleares actuales, que están basadas en la fisión, la división de átomos (lo opuesto de la fusión que implica unir dos átomos). Pero desarrollar un reactor de fusión que produzca una emisión neta de energía ha demostrado ser más difícil de lo que se pensaba inicialmente.

Los nuevos resultados proceden de un reactor experimental de fusión en el Centro de Fusión y Ciencia de Plasma en el campus del MIT, inspirado por observaciones desde el espacio hechas por satélites. Conocido como el Experimento de Dipolo de Levitación, o LDX, un proyecto conjunto del MIT y la Universidad de Columbia, usa un imán en forma de rosquilla de media tonelada de aproximadamente el tamaño y forma de una gran rueda de camión, hecho de cable superconductor enrollado dentro de una vasija de acero inoxidable. Este imán está suspendido por un potente campo electromagnético, y se usó para controlar el movimiento del gas cargado eléctricamente a 10 millones de grados, o plasma, contenido dentro de los 6 metros de diámetro de la cámara exterior.

Los resultados, publicados esta semana en la revista Nature Physics, confirman la predicción poco intuitiva de que dentro de la cámara magnética del dispositivo, las turbulencias aleatorias provocan que el plasma se haga más concentrado — un paso crucial para lograr que los átomos se fusionen — en lugar de más dispersos, como normalmente pasa con las turbulencias. Esta “compactación turbulenta” del plasma se ha observado en la forma en que interactúan los plasmas en el espacio con los campos magnéticos de Júpiter y la Tierra, pero nunca antes se había recreado en el laboratorio.

La mayor parte de los experimentos de fusión por todo el mundo usan uno de estos dos métodos: tokamaks, que usan un conjunto de imanes enrollados alrededor de una cámara en forma de rosquilla para confinar el plasma, o fusión inercial, usando lásers de alta potencia para hacer estallar una diminuta bola de combustible en el centro del dispositivo. Pero LDX toma una aproximación diferente. “Es el primer experimento de este tipo”, dice el científico senior del MIT Jay Kesner, líder del grupo de investigación física del MIT para LDX, que co-dirige el proyecto junto a Michael E. Mauel, profesor de física aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencia Aplicada de la Fundación Fu de la Universidad de Columbia.

Los resultados del experimento demuestran que esta aproximación “podría generar un camino alternativo a la fusión”, dice Kesner, aunque se necesitará más investigación para determinar si sería práctico. Por ejemplo, aunque los investigadores han medido altas densidades del plasma, aún se necesita instalar nuevos equipos para medir su temperatura, y finalmente tendrá que construirse y probarse una versión mucho mayor.

Una nueva aproximación a un problema complejo

Kesner advierte que el ciclo de combustible planificado para otros tipos de reactores de fusión como los tokamaks, que usan una mezcla de dos formas de hidrógeno “pesado” conocidos como deuterio y tritio, deberían ser más fáciles de conseguir y probablemente entrarán antes en funcionamiento. La fusión deuterio-deuterio planificada para estos dispositivos basados en el diseño de LDX, si alguna vez es práctica, haría probablemente de éste “una aproximación de segunda generación”, comenta.

Cuando está operativo, el enorme imán LDX está soportado por el campo magnético de un electroimán sobre él, que está controlado continuamente por un ordenador basándonse en la monitorización precisa de su posición usando ocho rayos láser y detectores. La posición del imán de media tonelada, que porta una corriente de un millón de amperios (en comparación con la capacidad total de un hogar típico que es 200 amperios) puede mantenerse de esta forma a una distancia de menos de medio milímetro. Un soporte cónico con muelles se coloca bajo el imán para sujetarlo en caso de que algo vaya mal en el sistema de control.

La levitación es crucial dado que el campo magnético usado para confinar el plasma sería perturbado por cualquier objeto intermedio, como cualquier soporte usado para sostener el imán en su sitio. En las ejecuciones experimentales, recrearon las mismas condiciones con y sin el sistema de apoyo en su sitio, y confirmaron que el confinamiento del plasma se incrementaba drásticamente en el modo levitado, eliminando los soportes. Con el imán levitando, el pico central de densidad de plasma se desarrolló en unas pocas centésimas de segundo, y recuerda mucho a los observados en las magnetosferas planetarias (como los campos magnéticos que rodean a la Tierra y Júpiter).

Resumiendo la diferencia entre las dos aproximaciones, Kesner explica que en un tokamak, el plasma caliente está confinado dentro de un enorme imán, pero en el LDX el imán están dentro del plasma. El concepto global, dice, se inspiró en las observaciones de las magnetosferas planetarias realizadas por las naves interplanetarias. A su vez, comenta, para la investigación planetaria, los experimento en el LDX puede arrojar “un detalle más sutil del que puedes lograr lanzando satélites, y de forma más barata”.

El trabajo que queda

Los científicos del MIT y Columbia dicen que si el aumento de densidad inducido por las turbulencias exhibido en el LDX puede escalarse a dispositivos mayores, podría permitirles recrear las condiciones necesarias para mantener reacciones de fusión, y esto podría señalar el camino hacia una producción abundante y sostenible de energía de fusión.

“La energía de fusión podría proporcionar una solución a largo plazo de las necesidades energéticas del planeta sin contribuir al calentamiento global”, dice Mauel.

El proyecto LDX, liderado por Mauel y Kesner y patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, ha pasado por más de 10 años de diseño, construcción y pruebas, y produjo sus primeros resultados experimentales en su configuración de levitación el año pasado, de los que se informa en el análisis publicado esta semana. Se usó un conjunto de interferómetro de microondas instalado esta semana, desarrollado por el estudiante graduado del MIT Alex Boxer, para hacer las medidas de precisión de las concentraciones de plasma que se usaron para observar la compactación turbulenta.

“LDX es uno de los experimentos más novedosos de la física de plasma de fusión actualmente”, dice Stewart Prager, director del Laboratorio de Física de Plasma en Princeton. Debido a la geometría única del sistema, comenta, “las predicciones teóricas indican que el confinamiento de la energía podría ser muy favorable” para producir una energía de fusión práctica, pero la teoría tiene que confirmarse en la realidad. “Para que estos beneficios sean reales, las predicciones teóricas deben confirmarse experimentalmente”, dice.


Autor: David L. Chandler
Fecha Original: 25 de enero de 2010
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