Cómo el litio influye en la retención del combustible de fusión dentro de los tokamaks

El litio se considera un ingrediente clave en las futuras centrales eléctricas de fusión comerciales, conocidas como tokamaks, y existen diversas maneras de utilizar este metal para optimizar el proceso. Sin embargo, persiste una pregunta clave: ¿cuánto afecta a la cantidad de combustible atrapada en las paredes de los tokamaks?

Según una nueva investigación de una colaboración global que abarca nueve instituciones, el principal factor de retención de combustible es la codeposición: un proceso en el que el combustible queda atrapado junto con el litio. La codeposición puede ocurrir con litio añadido directamente durante las operaciones de plasma o con litio depositado previamente en las paredes, que se desgasta y vuelve a depositarse.

La investigación también mostró que agregar litio durante la operación es más efectivo que recubrir previamente las paredes con litio en términos de crear una temperatura uniforme desde el núcleo del plasma hasta su borde. Esto puede ayudar a crear las condiciones de plasma estables necesarias para la fusión comercial.

Maria Morbey, autora principal del estudio y candidata a doctorado del Instituto Holandés de Investigación Fundamental de la Energía, afirmó que "la mayor parte de la retención de combustible ocurre cuando se añade litio durante la inyección de plasma, no antes". El estudio también reveló que el grosor del recubrimiento de litio aplicado antes de la inyección de plasma no afectó significativamente la cantidad de combustible atrapado. Resulta que aumentar el grosor de estos recubrimientos tiene poco impacto en la retención final.

Florian Effenberg, científico investigador del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL), explicó que "a medida que hacemos la transición de los tokamaks desde las paredes de grafito debido a su alta tasa de erosión hacia materiales de pared como el tungsteno, necesitamos encontrar una forma de acondicionar estas paredes". El litio puede fundirse, creando una capa autorreparadora sobre los componentes internos de un recipiente de fusión que puede ayudar a proteger algunas de las partes expuestas directamente al plasma de su intenso calor.

Las paredes de litio se utilizan intencionalmente para crear un entorno donde los átomos de combustible se absorben en lugar de reflejarse, lo que ayuda a estabilizar el borde del plasma, mejora su confinamiento y permite operar a mayores densidades de potencia. Sin embargo, esta misma propiedad provoca una retención significativa de combustible, en particular de tritio, que es radiactivo, escaso y está sujeto a estrictas regulaciones.

La retención excesiva de tritio reduce la disponibilidad de combustible, complica el ciclo del combustible de tritio y plantea problemas de seguridad y operativos, especialmente en zonas más frías e inaccesibles donde el tritio puede acumularse con el tiempo.

Durante el estudio, se evaluaron dos enfoques para usar litio utilizando muestras de material incrustadas en azulejos de pared en DIII-D, un tokamak operado por General Atomics en California. En el primer enfoque, las muestras fueron pre-recubiertas con litio antes de ser expuestas a un plasma de fusión, mientras que en el segundo escenario, se agregó litio a las muestras utilizando un sistema conocido como gotero de polvo de impurezas.

Los hallazgos del estudio destacan que en los diseños de tokamak será crucial evitar las zonas de pared fría donde el litio y el combustible puedan acumularse.