El impacto de campos eléctricos en la turbulencia en plasmas de fusión

La fusión es el proceso de unir dos núcleos ligeros (Deuterio y Tritio), produciendo un núcleo más pesado (Helio) y liberando una gran cantidad de energía. Se investiga este proceso desde al menos los años 50 del siglo pasado por su capacidad de producir energía a gran escala mediante un proceso seguro que no genera gases de efecto invernadero.

Para conseguir esta reacción en el laboratorio, existen varios métodos. El Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT dispone de un dispositivo de investigación de gran tamaño, el stellarator TJ-II. En él se confina un plasma ionizado mediante un campo magnético intenso y se ceba y calienta el plasma para alcanzar las condiciones necesarias. El resultado es un sistema muy alejado del equilibrio termodinámico (con unos gradientes termodinámicos que se encuentran entre los más intensos existentes ¡en el universo!). El plasma responde al calentamiento generando turbulencia, así alejándose de las condiciones deseadas y dando lugar a un sistema complejo y auto-organizado. El estudio de esta turbulencia y su posible control centra una buena parte de las investigaciones llevadas a cabo en el laboratorio.

En trabajos recientes se ha estudiado el impacto del campo eléctrico radial (Er) en el transporte de turbulencia en el borde y el Scrape-Off Layer (SOL, la capa de plasma fuera de la zona confinada) del stellarator TJ-II. En un conjunto de experimentos, se modificó Er mediante la aplicación de un voltaje a una sonda de ‘biasing’ (polarización). En otro, se provocó una transición espontánea de confinamiento, acompañado por un cambio significativo de Er en el borde del plasma, manipulando el cebado externo del plasma.

Efecto de modulación externa sobre los parámetros del plasma, medidos con sondas Langmuir.
Propagación radial de turbulencia en el borde del plasma (1) antes, (2) durante y (3) después de un intervalo de confinamiento mejorado inducido por el cebado.

En ambos casos, se utilizaron sondas de Langmuir para estudiar el efecto de Er sobre la propagación de la turbulencia. Así, se pudo demostrar por primera vez que flujos con cizalla (asociados con variaciones radiales de Er) no sólo suprimen la turbulencia localmente, sino que además disminuyen la propagación radial de la misma, formando una ‘barrera de transporte’.

Este resultado es de suma importancia para entender cómo se establece y cómo se puede manipular la anchura de la capa de plasma externo al plasma confinado (SOL). Esta capa tiende a ser muy estrecha, lo que implica que la potencia que sale del plasma se deposita en una zona pequeña de la pared, generando estrés térmico y daños en los materiales. Estas nuevas observaciones pueden dar pie a técnicas de manipulación del SOL y así facilitar la construcción de los futuros reactores de fusión.

Referencias

G. Grenfell, B.Ph. van Milligen, U. Losada, T. Wu, B. Liu, C. Silva, M. Spolaore, and C. Hidalgo. Measurement and control of turbulence spreading in the Scrape-Off Layer of TJ-II. Nucl. Fusion, 59:016018, 2019.

G. Grenfell, B.Ph. van Milligen, U. Losada, T. Estrada, B. Liu, C. Silva, M. Spolaore, and C. Hidalgo. The impact of edge radial electric fields on edge-SOL coupling in the TJ-II stellarator. Nucl. Fusion, 60:014001, 2019.

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