El tokamak SMART genera con éxito su primer plasma
El tokamak SMART de Sevilla ha logrado producir su primer plasma, un paso crucial en la creación de una fuente de energía de fusión limpia y prácticamente ilimitada. Este avance podría transformar el futuro de la energía sostenible a nivel mundial.
Por Enrique Coperías
Primer plasma en el Tokamak SMART, grabado con una cámara super rápida en el espectro visible. Cortesía: Universidad de Sevilla.
La reciente generación del primer plasma en el tokamak SMART marca un avance trascendental en la búsqueda de una fuente de energía de fusión limpia, sostenible y prácticamente ilimitada.
Este dispositivo de fusión experimental, diseñado, construido y operado por el Laboratorio de Ciencia del Plasma y Tecnología de Fusión de la Universidad de Sevilla, se encuentra a la vanguardia de la investigación en fusión nuclear. El SMART no solo representa un hito en términos de sus capacidades tecnológicas, sino que también abre nuevas posibilidades para el diseño de plantas de energía de fusión compactas, un paso crucial en el camino hacia la transición energética global.
El SMART, un tokamak esférico único en su clase, se distingue por su flexibilidad para generar plasmas con diversas formas, algo que le otorga una ventaja en términos de eficiencia y control. A diferencia de los tokamaks convencionales —un tokamak es un dispositivo de fusión nuclear que utiliza campos magnéticos para confinar y controlar el plasma a altas temperaturas—, que operan con una configuración más estándar de plasma, el SMART está diseñado para explorar plasmas con triangularidad negativa. Esta es una configuración que se ha demostrado puede ofrecer un rendimiento mejorado, ya que reduce las inestabilidades que afectan al confinamiento del plasma.
Fusión, no fisión
Este tipo de plasma presenta una capacidad superior para gestionar las altas temperaturas y presiones necesarias para las reacciones de fusión, lo que abre nuevas perspectivas en la optimización de la eficiencia de las plantas de fusión futura.
Hay que recordar que la fusión y la fisión son dos procesos nucleares que liberan grandes cantidades de energía, pero difieren en cómo ocurren. En la fusión, los núcleos de átomos ligeros, como el hidrógeno, se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando energía en el proceso. Este es el mismo proceso que ocurre en el Sol.
Por otro lado, en la fisión, un núcleo pesado, como el de uranio, se divide en dos núcleos más ligeros, liberando energía y partículas como neutrones. Mientras que la fusión produce menos residuos radiactivos y se considera una fuente de energía más limpia y sostenible, la fisión es utilizada en los reactores nucleares actuales, pero genera residuos radiactivos que requieren gestión a largo plazo.
A un paso de un sistema de energía de fusión viable
El profesor Manuel García Muñoz, investigador principal del proyecto SMART, destaca la importancia de este logro, y señala que marca el inicio de la fase operativa de la máquina. «Este es un avance fundamental para todo el equipo; hemos alcanzado un punto de inflexión hacia la operación plena de SMART" —afirma el profesor García Muñoz en un comunicado de la UNiversidad de Sevilla. Y añade—: Este paso coloca a los investigadores un paso más cerca de la materialización de un sistema de energía de fusión viable».
«La emoción fue palpable cuando observamos el primer plasma confinado magnéticamente —confiesa la profesora Eleonora Viezzer, coinvestigadora principal del proyecto. Y continúa—: Estamos ansiosos por explorar las capacidades de SMART junto a la comunidad científica internacional. Este avance ha suscitado un enorme interés en todo el mundo».
Con el respaldo de la colaboración global, SMART promete acelerar el progreso hacia una solución energética limpia.
SMART está diseñado para demostrar las propiedades únicas de los plasmas con triangularidad negativa en el desarrollo de plantas de fusión compactas basadas en tokamaks esféricos. Cortesía: Universidad de Sevilla
El camino hacia la fusión: la triangularidad negativa como clave
La triangularidad es un parámetro crucial en los tokamaks, ya que define la forma del plasma. Mientras que la mayoría de los tokamaks tradicionales operan con plasmas de triangularidad positiva, el SMART está diseñado para trabajar también con plasmas de Ttriangularidad negativa, como se ha mencionado unas líneas más artiba.
Este cambio en la forma del plasma no es solo una variación geométrica; tiene implicaciones profundas en el rendimiento del dispositivo.
Los plasmas con triangularidad negativa han demostrado ser más estables y eficientes al minimizar las turbulencias que afectan al confinamiento del plasma, un problema que ha obstaculizado a muchas máquinas de fusión en el pasado.
Fusion2Grid, un proyecto con visión de futuro
Además, este tipo de plasma distribuye mejor el calor generado por las reacciones de fusión, lo que permite diseñar reactores de fusión más compactos y eficientes. Con la capacidad de mantener temperaturas más altas durante más tiempo, los plasmas con triangularidad negativa podrían ser esenciales para la viabilidad de las futuras plantas de energía de fusión.
SMART forma parte de la estrategia Fusion2Grid, una iniciativa que tiene como objetivo diseñar la planta de energía de fusión más compacta y eficiente posible. Fusion2Grid busca utilizar la experiencia adquirida en el desarrollo de dispositivos como SMART para llevar a cabo el diseño de reactores de fusión que puedan integrarse en las redes eléctricas de manera efectiva.
En este contexto, SMART no solo se posiciona como un experimento científico, sino como una pieza clave en un esfuerzo más amplio para reducir el tamaño y los costes asociados con los futuros reactores de fusión. El objetivo no es otro que crear plantas de energía de fusión que puedan generar electricidad de manera rentable y sin las enormes inversiones que suelen caracterizar a las instalaciones energéticas convencionales.
Avances en la simulación de plasmas y predicción de rendimiento
El proceso de optimización del rendimiento del tokamak SMART ha involucrado el uso de sofisticados modelos de simulación. Mediante el uso del código TRANSP, los investigadores han podido predecir las temperaturas de los electrones e iones en diferentes escenarios operativos del dispositivo.
Estos modelos de simulación son fundamentales para prever el comportamiento del plasma en situaciones reales y permiten ajustar parámetros como la temperatura y la densidad del plasma para maximizar la eficiencia del proceso de fusión.
En las simulaciones realizadas para la fase 2 de SMART, que incluye la inyección de haces de neutrones (NBI) para calentar el plasma, se han considerado diferentes modelos de turbulencia. Cada uno de estos modelos proporciona diferentes predicciones sobre el comportamiento del plasma, pero en general, todos coinciden en que la adición de la inyección de neutrones aumenta significativamente las temperaturas de los electrones e iones.
Esta capacidad de mejorar el confinamiento y la estabilidad del plasma podría ser crucial para la futura implementación de la fusión como fuente de energía.
Aspecto del tokamak de relación de aspecto pequeño (SMART) de la Universidad de Sevilla, que ha sido construido en colaboración con el Laboratorio de Física del Plasma de la Universidad de Princeton. Cortesía: Universidad de Sevilla
La importancia del control de la potencia y la gestión de la energía
Uno de los retos clave para cualquier reactor de fusión es la gestión eficiente de la potencia generada. En los experimentos con el tokamak SMART, la adición de rotación en el plasma ha mostrado ser una estrategia efectiva para reducir la turbulencia, lo que a su vez permite alcanzar temperaturas más altas y un confinamiento más eficiente.
Este control de la potencia es esencial para asegurar que la energía generada por las reacciones de fusión pueda ser aprovechada de manera óptima, sin pérdidas significativas de energía en forma de calor o radiación.
El uso de tecnología avanzada, como la inyección de neutrones, y la optimización del diseño del tokamak SMART también está ayudando a comprender mejor cómo se distribuye el calor dentro del reactor. Este conocimiento es esencial para diseñar sistemas de refrigeración y gestión de la potencia que sean capaces de manejar las intensas condiciones térmicas de un reactor de fusión operativo.
Hacia el futuro de la energía de fusión
El progreso en el desarrollo del tokamak SMART y la implementación de estrategias como Fusion2Grid no solo subraya los avances tecnológicos que estamos logrando, sino también la necesidad urgente de encontrar soluciones energéticas sostenibles para enfrentar los desafíos climáticos globales.
Si los avances continúan a este ritmo, la energía de fusión podría estar más cerca de convertirse en una fuente primaria de electricidad, y abrirá una nueva era de generación de energía sin emisiones de carbono.
En última instancia, la creación de plantas de fusión compactas y eficientes, como las que se proponen en el marco de Fusion2Grid, puede ser la clave para garantizar un futuro energético limpio y accesible para todos.
Con proyectos como el SMART liderando el camino, los investigadores están sentando las bases para una tecnología que podría transformar la manera en que producimos y consumimos energía, ayudando a resolver algunos de los problemas más urgentes de nuestro tiempo. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Sevilla
Fuente: D. J. Cruz-Zabala et al. Performance prediction applying different reduced turbulence models to the SMART tokamak. Nuclear Fusion (2024). DOI: 10.1088/1741-4326/ad8a70
