video: A microwave-heated glow discharge runs in SMART as a test of the tokamak.
Credit: University of Seville
Como átomos que se unen para liberar energía, investigadores de fusión en todo el mundo están uniendo sus fuerzas para resolver la crisis energética mundial. Aprovechar el poder de un plasma de fusión como una fuente segura de energía no es una tarea fácil, lo que requiere contribuciones de todo el mundo.
El Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) – un laboratorio nacional de los EEUU financiado por el Department of Energy (DOE) – está liderando diferentes esfuerzos en este frente, incluyendo la colaboración en el diseño y desarrollo de un nuevo dispositivo de fusión en la Universidad de Sevilla en España. El SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART) se beneficia de códigos de simulación de PPPL así como de la experiencia del laboratorio en detectores y sensores magnéticos.
“El proyecto SMART es un gran ejemplo de cómo todos trabajamos juntos para resolver los retos presentados por la fusión y como enseñamos a la nueva generación lo que ya hemos aprendido”, dice Jack Berkery, el subdirector de investigación de PPPL para el National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) y principal investigador para la colaboración de PPPL con SMART. “Tenemos que hacerlo juntos o no se logrará”.
Manuel Garcia-Munoz y Eleonora Viezzer, ambos profesores del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Sevilla y líderes del grupo Plasma Science and Fusion Technology y del proyecto SMART, dicen que PPPL era el compañero ideal para su primer tokamak experimental. El siguiente paso fue decidir qué tipo de tokamak debían construir. “Debía ser uno que una universidad se pudiera permitir, pero también uno que pudiera hacer una contribución única al desarrollo internacional de la fusión.”, dice Garcia-Munoz. “La idea fue unir tecnologías que estaban ya establecidas: el tokamak esférico y la triangularidad negativa, haciendo SMART el primero, y único, en el mundo. Resultó que fue una idea fantástica”.
SMART ofrece un plasma de fusión fácil de gestionar
El concepto de triangularidad se refiere a la forma del plasma dentro del tokamak. La sección transversal del plasma en un tokamak tiene típicamente la forma de una D mayúscula. Cuando la parte recta de la D mira hacia el centro del tokamak, se dice que tiene triangularidad positiva. Cuando la parte curva mira hacia el centro, el plasma tiene triangularidad negativa.
Garcia-Munoz dice que la triangularidad negativa debería ofrecer mejor rendimiento porque elimina inestabilidades que eyectan partículas y energía del plasma, previniendo el daño en la pared del tokamak. “Podría cambiar las reglas del juego permitiendo desarrollar reactores de fusión super compactos con altas potencias de fusión y mínimas cargas de calor sobre la pared.”, dice él. “La triangularidad negativa tiene menor nivel de fluctuaciones dentro del plasma, pero también tiene una mayor área en el divertor para distribuir el escape de calor”.
La forma esférica de SMART debería confinar mejor el plasma comparado con el caso en el que tuviese forma de doughnut. La forma afecta significativamente en términos de confinamiento del plasma. Por esa razón, NSTX-U, el principal experimento de fusión de PPPL, no tiene forma de donut como otros tokamaks: la forma redonda hace más fácil confinar el plasma. SMART será el primer tokamak esférico en explorar completamente el potencial de una forma particular del plasma llamada triangularidad negativa.
La experiencia de PPPL en algunos códigos de computación ha sido muy importante
PPPL cuenta con un largo historial de liderazgo en investigación sobre tokamaks esféricos. El equipo de fusión de la Universidad de Sevilla contactó por primera vez con PPPL para implementar SMART en TRANSP, un software de simulación desarrollado y mantenido por el laboratorio. Docenas de instalaciones usan TRANSP, incluyendo empresas privadas como Tokamak Energy en Inglaterra.
“PPPL es un líder mundial en muchas, muchas áreas, incluyendo simulaciones de fusión; TRANSP es un gran ejemplo de su éxito”, dice Garcia-Munoz.
Mario Podesta, antiguo miembro de PPPL, fue clave en el apoyo a la Universidad de Sevilla para determinar la configuración de los haces neutros que deben calentar el plasma. Este trabajo culminó con un artículo publicado en la revista Plasma Physics and Controlled Fusion.
Stanley Kaye, director de investigación en NSTX-U, está trabajando con Diego Jose Cruz-Zabala, beneficiario de una beca EUROfusion Bernard Bigot Researcher, del equipo SMART, en el uso de TRANSP “para determinar las corrientes necesarias en las bobinas que dan forma al plasma para alcanzar la forma del plasma deseada en triangularidad positiva y negativa en las distintas fases de operación”. La primera fase, dice Kaye, consistirá en un plasma “básico”. La fase dos incluirá haces neutros para calentar el plasma.
La estabilidad del plasma de SMART ha sido estudiada, mediante códigos numéricos avanzados, por Berkery, un antiguo estudiante colaborador, John Labbate, que actualmente desarrolla su tesis doctoral en la Universidad de Columbia y un antiguo estudiante de doctorado de la Universidad de Sevilla, Jesus Dominguez-Palacios que actualmente trabaja para una empresa privada de los EEUU. Los resultados de este trabajo han sido recientemente publicados en la prestigiosa revista Nuclear Fusion.
Diseño de diagnósticos para el presente y futuro de SMART
La colaboración entre SMART y PPPL se extiende también a una de las áreas centrales de experiencia del laboratorio: diagnósticos, esto es dispositivos con sensores para evaluar el comportamiento del plasma. Varios de estos diagnósticos son diseñados por investigadores de PPPL. Los físicos de PPPL Manjit Kaur y Ahmed Diallo, junto con Viezzer, están liderando el diseño del diagnóstico Thomson Scattering de SMART, por ejemplo. Este diagnóstico medirá de forma precisa la temperatura y densidad electrónica durante los experimentos, como se detalla en un nuevo artículo publicado en la revista Review of Scientific Instruments. Estas medidas se complementarán con medidas de la temperatura, rotación y densidad iónica proporcionadas por la suite de diagnósticos de espectroscopía por intercambio de carga desarrollada por Alfonso Rodriguez-Gonzalez, un estudiante de doctorado en la Universidad de Sevilla, Cruz-Zabala y Viezzer.
“Estos diagnósticos pueden operar durante décadas, tenemos que tenerlo en cuenta cuando diseñamos el sistema,” dice Kaur. Cuando elaboramos los diseños, fue importante que el diagnóstico pudiera cubrir los rangos de temperatura que SMART pueda alcanzar en las próximas décadas y no solos los valores iniciales, dice ella.
Kaur diseño el diagnóstico Thomson scattering desde el inicio del proyecto, seleccionando y comprando las diferentes partes, incluyendo el láser que ella pensaba que mejor se adecuaba a las necesidades. Ella quedó impresionada al ver el resultado de las primeras pruebas cuando Gonzalo-Jimenez y Viezzer le mandaron fotos desde España. El test consistía en configurar el láser en un banco óptico y dispararle a una pieza de papel especial que los investigadores llaman “papel de quemado”. Si el láser está bien diseñado, las marcas de quemado serán circulares con bordes suaves. “Los resultados del test inicial del láser fueron fantásticos”, dice ella. “Ahora, esperamos ansiosamente recibir otras piezas para montar y hacer funcionar el diagnóstico.”
James Clark, un investigador de PPPL cuya tesis doctoral se enfocó en sistemas Thomson scattering, fue más tarde contratado para trabajar con Kaur. “He estado diseñando el camino del láser y la óptica necesaria”, explica Clark. Además de trabajar en la ingeniaería del proyecto, Clark ha ayudado con la logística, decidiendo como y cuando las cosas debían ser mandadas, instaladas y calibradas.
El director de proyectos avanzados de PPPL, Luis Delgado-Aparicio, junto con Joaquin Galdon-Quiroga, beneficiario de una de las prestigiosas becas de excelencia europea Marie Skłodowska-Curie y Jesus Salas-Barcenas, estudiante de doctorado, de la Universidad de Sevilla, están liderando los esfuerzos para añadir otros dos tipos de diagnósticos a SMART: un diagnóstico de rayos X blandos multi energético (ME-SXR) y un espectrómetro. El ME-SXR medirá también la temperatura y densidad electrónica usando un enfoque distinto que el sistema Thomson scattering. El ME-SXR usará conjuntos de pequeños componentes electrónicos llamados diodos para medir rayos X. Combinados, el diagnóstico Thomson scattering y el ME-SXR analizarán exhaustivamente la temperatura y densidad electrónica.
Mirando a las distintas frecuencias de la luz de dentro del tokamak, los espectrómetros pueden proporcionar información sobre las impurezas presentes en el plasma, como el oxígeno, carbono y nitrógeno. “Usamos espectrómetros existentes y diseñamos algunas herramientas para ponerlos en la máquina, incorporando fibras ópticas”, dice Delgado-Aparicio. Otro artículo publicado en la revista Review of Scientific Instruments discute el diseño de este diagnóstico.
El físico investigador de PPPL Stefano Munaretto trabajó en los diagnósticos magnéticos para SMART con el trabajo de campo liderado por el estudiante de doctorado Fernando Puentes-del Pozo de la Universidad de Sevilla. “El diagnóstico en si es bastante simple”, dice Munaretto. “Es solo un cable enrollado sobre algo. La mayor parte del trabajo consiste en la optimización de la geometría del sensor obteniendo su tamaño, forma y longitud correcta, seleccionando donde debe ir colocado y todo el condicionamiento de señal y análisis de datos posterior”. El diseño de los diagnósticos magnéticos en SMART se detalla en un nuevo artículo.
Delgado-Aparicio está de acuerdo. “He disfrutado muchísimo trabajando con Manuel Garcia-Munoz, Eleonora Viezzer y el equipo de científicos y profesores de la Universidad de Sevilla, pero lo que más disfruté fue trabajar con el conjunto de estudiantes brillantes que tienen allí,” dice él. “Ellos son brillantes y me han ayudado muchísimo a entender los retos que tenemos y como avanzar hacia la obtención de los primeros plasmas.”
Investigadores de la Universidad de Sevilla ya han realizado pruebas en el tokamak, mostrado en el color rosa producido por la emisión de argón cuando se calienta con microondas. Este proceso ayuda a preparar las paredes interiores del tokamak para obtener un plasma mucho más denso contenido mediante campos magnéticos y a presiones más altas. Mientras que esa emisión rosa viene de un plasma, la presión es tan baja que los investigadores no lo consideran como el primer plasma de verdad. Garcia-Munoz dice que esto ocurrirá en otoño de 2024.
El apoyo a este proyecto de investigación viene del contrato del DOE con número DE-AC02-09CH11466, del European Research Council Grant Agreement 101142810, 805162, del Euratom Research and Training Programme Grant Agreement 101052200 — EUROfusion y de la Junta de Andalucía, Ayuda a Infraestructuras y Equipamiento de I+D+i, IE17-5670 y Proyectos I+D+i FEDER Andalucía 2014-2020, US-15570.
PPPL es uno de los referentes internacionales en el campo de la física del plasma – el cuarto estado de la materia – que desde hace años utiliza para ayudar a resolver algunos de los retos científicos y tecnológicos más difíciles del mundo. Situado en el Campus Forestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, Nueva Jersey, nuestra investigación se centra en la innovación en un rango de aplicaciones que incluyen la energía de fusión, la fabricación a escala nanométrica, materiales y dispositivos cuánticos, y la ciencia de la sostenibilidad. La Universidad gestiona el Laboratorio para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EEUU, el mayor apoyo nacional para investigación básica en el área de las ciencias físicas. Siente el calor en https://energy.gov/science y https://www.pppl.gov.
El grupo Plasma Science and Fusion Technology de la Universidad de Sevilla opera el SMall Aspect Ratio Tokamak y lidera varios esfuerzos en todo el mundo en partículas energéticas y estabilidad del plasma para el desarrollo de la fusión nuclear como fuente de energía limpia y virtualmente inagotable a partir de reactores de fusión por confinamiento magnético. www.psft.eu.
Journal
Review of Scientific Instruments
Article Title
Design of a Thomson scattering diagnostic for the SMall Aspect Ratio Tokamak (SMART)
Article Publication Date
4-Sep-2024