Plasma ardiente

En física de plasmas , un plasma en combustión es un plasma que se calienta principalmente por reacciones de fusión que involucran iones de plasma térmico. ^{[ 1 ] [ 2 ]} El Sol y estrellas similares son plasmas en combustión, y en 2020 la Instalación Nacional de Ignición logró generar un plasma en combustión en el laboratorio. ^{[ 3 ]} Un concepto estrechamente relacionado es el de plasma encendido , en el que todo el calentamiento proviene de reacciones de fusión.

El Sol y otras estrellas de la secuencia principal se calientan internamente mediante reacciones de fusión que involucran iones de hidrógeno . Las altas temperaturas necesarias para mantener estas reacciones se conservan mediante un proceso de auto-calentamiento en el que la energía de la reacción calienta los iones del plasma térmico a través de colisiones de partículas. Un plasma entra en lo que los científicos denominan régimen de plasma en combustión cuando la potencia de auto-calentamiento supera cualquier calentamiento externo. ^{[ 1 ]}

El Sol es un plasma ardiente que ha alcanzado la ignición por fusión , lo que significa que la temperatura del plasma solar se mantiene únicamente por la energía liberada por la fusión. El Sol ha estado quemando hidrógeno durante 4.500  millones de años y se encuentra aproximadamente a la mitad de su ciclo de vida. ^{[ 1 ]}

Las armas termonucleares, también conocidas como bombas de hidrógeno, son armas nucleares que utilizan la energía liberada por las reacciones de fusión de un plasma en combustión para producir parte de su potencia explosiva. Esto contrasta con las armas de fisión pura, que producen toda su potencia a partir de una reacción de fisión nuclear neutrónica . La primera explosión termonuclear, y por lo tanto el primer plasma en combustión artificial, fue la prueba Ivy Mike realizada por Estados Unidos en 1952. Todas las armas nucleares de alto rendimiento actuales son armas termonucleares. ^{[ 4 ]}

En 2020, se creó por primera vez un plasma en combustión en el laboratorio de la Instalación Nacional de Ignición ( NIF, por sus siglas en inglés), un gran dispositivo de investigación de fusión por confinamiento inercial basado en láser ubicado en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en Livermore, California . ^{[ 3 ]} La NIF logró un plasma completamente encendido el 8 de agosto de 2021, ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]} y una ganancia de energía científica superior a uno el 5 de diciembre de 2022. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Actualmente se están construyendo varios tokamaks con el objetivo de convertirse en el primer experimento de plasma en combustión confinado magnéticamente .

El ITER , que se está construyendo cerca de Cadarache en Francia, tiene como objetivo declarado permitir a los científicos e ingenieros de fusión investigar la física, la ingeniería y las tecnologías asociadas con un plasma auto-calentable. Los temas a explorar incluyen la comprensión y el control de un plasma auto-organizado fuertemente acoplado; la gestión del calor y las partículas que llegan a las superficies que dan al plasma; la demostración de la tecnología de generación de combustible; y la física de las partículas energéticas. Estos temas son relevantes para el objetivo más amplio del ITER de utilizar reacciones de plasma auto-calentable para convertirse en el primer dispositivo de energía de fusión que produce más energía de la que consume, un paso importante hacia la producción comercial de energía de fusión. ^{[ 1 ]} Para alcanzar temperaturas relevantes para la fusión, el tokamak ITER calentará los plasmas utilizando tres métodos: calentamiento óhmico (haciendo pasar corriente eléctrica a través del plasma), inyección de haces de partículas neutras y radiación electromagnética de alta frecuencia . ^{[ 1 ]}

SPARC , que se está construyendo en Devens , Estados Unidos, tiene como objetivo verificar la tecnología y la física necesarias para construir una central eléctrica basada en el concepto de central de fusión ARC . ^{[ 10 ]} SPARC está diseñado para lograr esto con un margen superior al punto de equilibrio y podría ser capaz de alcanzar hasta 140 MW de potencia de fusión durante ráfagas de 10 segundos a pesar de su tamaño relativamente compacto. ^{[ 10 ]} El imán superconductor de alta temperatura de SPARC está diseñado para crear campos magnéticos mucho más fuertes , lo que le permite ser mucho más pequeño que otros tokamaks similares. ^{[ 11 ]}

El plasma de combustión del NIF, a pesar de no producirse en un contexto energético, se ha caracterizado como un hito importante en la carrera hacia la energía de fusión nuclear , ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} con la percepción de que podría traer consigo un planeta mejor. ^{[ 15 ]} El primer plasma de combustión controlada se ha caracterizado como una coyuntura crítica al mismo nivel que la prueba Trinity , con enormes implicaciones para la fusión para energía (energía de fusión), incluyendo la militarización de la energía de fusión, principalmente para electricidad para armas de energía dirigida , así como la fusión para la construcción de la paz, una de las tareas principales del ITER. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}