Expectativas y Realidades en Fusión Nuclear

Los últimos años han visto un avance significativo en el desarrollo de la fusión nuclear controlada, tanto en lo que se refiere a los conceptos de confinamiento inercial como magnético. El interés que esto ha despertado ha impulsado el surgimiento de múltiples compañías con financiamiento privado. Según algunas opiniones optimistas será posible contar con reactores de fusión comerciales en las próximas décadas, aunque aún quedan retos significativos por vencer. En esta plática se revisará una selección de los logros conseguidos mediante confinamiento magnético en tokamaks y stellarators, y se hará una descripción de los resultados reportados recientemente en el experimento NIF (National Ignition Facility). Se explicarán los problemas técnicos y científicos que quedan por ser resueltos, poniendo los logros recientes en su perspectiva real, difiriendo de la mediática.

Ondas espejo en las fundas de la Tierra y Marte

Las interacciones onda-partícula son importantes para la transferencia de momento y energía del viento solar a las magnetósferas planetarias a través de la magnetofunda. En esta región, el plasma turbulento con funciones de distribución de iones altamente anisotrópicas provee la suficiente energía libre para el crecimiento de inestabilidades de baja frecuencia, como la tipo espejo. Es así que los modos espejos son estructuras comúnes en las fundas planetarias. En este trabajo se reporta la existencia de largos trenes de estructuras espejo en las magnetofundas de la Tierra y Marte, similares a las tormentas de modos espejo, hasta ahora reportadas únicamente en regiones de viento solar. Estudiamos las características de algunas tormentas observadas por las misiones MMS y MAVEN, posibles dependencias respecto a la beta del plasma y la distancia al choque de proa. También estudiamos la evolución de las distribuciones de iones asociadas con las estructuras espejo para investigar el origen de las ondas.

Investigation on the magnetic field distortions by the ferritic steel F82H vacuum chamber for the helical fusion reactor

Nowadays, the selection of ferritic steel for the vacuum chambers of the nuclear fusion reactors has become a typical choice. The findings of low activation characteristics for this material justify its extended application in vacuum chambers, impacting directly in the reduction of waste disposal. However, the ferritic steel material can induce magnetic field distortions inside the vacuum chamber of the helical fusion reactor (FFHR) actually in a state of concept. Magnetic field distortions has become a problem whose nature has not been treated widely, especially the negative effects of this problem on the magnetic surfaces and the rotational transform where the plasma lies. In order to study the magnetic field distortions in the complex geometry configuration of the FFHR, the numerical calculation code based on the software comsol multiphysics is being applied. Due to the magnetic field produced by the helical coils in the reactor, a 3D model for the FFHR is proposed. For the present study, two scenarios are of interest, the first case is to obtain the magnetic surfaces and the rotational transform by including the vacuum chamber, while in the second case the vacuum chamber is ommited and the same quantities are obtained. Comsol results are subjected to comparison with the magnetic field line-tracing code developed at NIFS.

Paralelización con CUDA de simulación de partículas toroidalmente confinadas utilizando centro guía a de giro

Se paralelizó el código GCAF escrito en C++, utilizado para simular el centro guía de giro de las partículas cargadas de un plasma confinado toridalmente usando el lenguaje de CUDA para tarjetas gráficas Nvidia, logrando aprovechar la potencia computacional de las GPUs, además de usar mínimo copiado de variables de CPU a GPU, logrando obtener resultados similares a las simulaciones corridas en CPU.

Efectos de la Densidad en el Potencial del Plasma en Experimentos con Polarización en un Estelerador

La formación de barreras de transporte está relacionada con la presencia de la cizalla generada por el campo eléctrico radial [1]. Este campo eléctrico radial generalmene surge por la presencia de flujos poloidales (corriente radial) o por gradientes de presión, o por la pérdida de partículas. Un modelo simple para formar barreras de transporte y la transición a modos de confinamiento alto es generar flujos cizallados y el control de la turbulencia por medio de la velocidad poloidal. Una forma de generar estos flujos cizallados (corriente radial) es por medio de la polarización del limitador o por una sonda polarizada. El efecto de los flujos cizallados se da por los flujos $\mathbf{E} \times \mathbf{B}$, donde $\mathbf{E}$ es el campo eléctrico ambipolar y $\mathbf{B}$ es el campo magnético toroidal. En los experimentos en esteleradores y en tokamaks con polarización, se ha observado que el potencial del plasma bajo las mismas condiciones de polaridad y magnitud de la corriente radial inducida, tiene diferente comportamiento en el borde y en el centro [2]. También se ha observado una fuerte dependencia respecto de la densidad del plasma. En este trabajo, mediante la solución de una ecuación de Poisson por el método PIC (perticle-in-cell) para el potencial eléctrico y considerando un perfil de densidad experimental del estelerador TJ-II se estudia la estructura del potencial del plasma para describir su comportamiento. Esto es importante para describir el comportamiento del potencial del plasma en presencia de un limitador polarizado o una sonda polarizada y asociarlo al comportamiento de los flujos cizallados. [1] K. H. Burrell, Plasma Phys. Control. Fusion 48, A347 (2006); [2} A. V. Melnikov, et al, Fusion Science and Technology 46, 299 (2004).

Efecto del número de periodos en el equilibrio de Stellarators

Aunque el Tokamak sigue siendo el concepto de confinamiento magnético para fusión más avanzado, sufre de varias desventajas, como el hecho de que requiere una corriente interna, la cual puede dar lugar a inestabilidades. El Stellarator por otra parte, no requiere una corriente interna, pero carece de la axisimetría del Tokamak, lo cual le hace más desafiante de diseñar. El principal problema es eliminar el transporte neoclásico no colisional, por lo que en años recientes ha renacido el interés de reducirlo mediante la optimización de su diseño. El propósito es conseguir que las derivas de los centros de guía de las partículas se mantengan en promedio sobre superficies de flujo bien definidas. Para ello se estudian configuraciones que se asemejen a simetrías (cuasi-simetrías) toroidales, poloidales y helicoidales [1]. En particular, la meta es disminuir la densidad de partículas atrapadas (es decir, que no circulan alrededor del toro) que pueden dar lugar a órbitas de banana y por consiguiente a corrientes de Bootstrap. En este trabajo se explora el efecto de variar el número de periodos de los Stellarators sobre las propiedades de equilibrio empleando el código DESC [2]. [1] P. Helander, “Theory of Plasma Confinement in non-axisymmetric magnetic fields”, Rep.Prog.Phys., 77, 087001 (2014). [2] D.W. Dudt y E. Koleman,”DESC: A Stellarator Equilibrium Solver”, Phys. Plasmas, 27, 102513 (2020).

Descargas de barrera dieléctrica planar en diferentes geometrías y frecuencias de operación

Las descargas de barrera dieléctrica (DBD) son plasmas fríos que pueden darse a presión atmosférica y en donde al menos uno de los electrodos esta cubierto por material dieléctrico, este tipo de plasmas ha mostrado resultados prometedores en diversas áreas, incluyendo la agricultura moderna, medicina, inocuidad de alimentos entre otras. En el siguiente trabajo se muestra el análisis de la generación de DBDs planares en diferentes configuraciones geométricas (rectangular, triangular, semicircular), usando cuarzo como material dieléctrico, variando la distancia que hay entre los electrodos de 0-0.5 cm y empleando diferentes frecuencias de operación, en donde la descarga se genere a su máxima eficiencia, el experimento se caracteriza eléctricamente, esto es, el análisis de las señales de corriente y voltaje, así como la determinación de la potencia del plasma. Los resultados presentan las frecuencias (6.40 -21.22kHz), voltajes pico-pico (4-26 kV) en donde las micro descargas tienen una mejor distribución sobre la superficie, hay un potencial del plasma estable a lo largo del tiempo y es lo suficientemente alto como para proporcionar la energía necesaria para las reacciones químicas (producción de O3).

Viabilidad de la ablación láser para la purificación de arcillas rica en litio

Un tema de actual relevancia para la sociedad mexicana es el procesamiento oportuno de fuentes de litio, y con ello obtener el mayor rendimiento posible que ofrecen nuestra situación geográfica y riqueza mineral. Recientemente nuestro grupo de investigación ha mostrado éxito con la caracterización de arcillas ricas en litio recolectadas a nivel de superficie en el estado Chihuahua, así como su consecuente purificación (i.e precipitación de la fase Li2CO3) por medio de metodologías convencionales con base en una digestión química. En pro de contar con metodologías más eficientes, económicamente accesibles y amigables para el medio ambiente, con este trabajo se plantea la posibilidad de utilizar el proceso de ablación láser como proceso completamente físico para este fin. Aparte de presentar algunos resultados preliminares, se discutirán con detalles los principales retos técnicos a resolver y las diversas estrategias adoptadas para la caracterización tanto de las arcillas sometidas al proceso de ablación láser como de los productos obtenidos.

Estudio de plasma generado entre placas paralelas, con combinaciones de gases, por la técnica de OES

Los plasmas fríos generados mediante arreglos de placas paralelas son ampliamente utilizados en investigación y aplicaciones industriales, como procesamiento de semiconductores o esterilización de productos médicos. El objetivo principal de este trabajo es estudiar la distribución de especies de estos plasmas mediante la técnica de Espectroscopía Óptica de Emisión (OES). Se analizan los espectros ópticos de emisión a lo largo de varias zonas de plasma y en diversas condiciones de presión y voltaje de descarga, utilizando diferentes mezclas de gases (argón y nitrógeno). Se presenta una descripción detallada de la distribución y dinámica de las especies presentes en el plasma, lo que contribuye a una mejor comprensión de su comportamiento. Este estudio aporta conocimiento sobre la redistribución de las zonas del plasma en función de la presión de descarga, lo que podría tener implicaciones significativas en el diseño y optimización de dispositivos basados en plasmas para diversas aplicaciones como las ya mencionadas.

Caracterización de una plasma corona usado para la degradación de contaminantes en agua

El uso de los plasmas a presión atmosférica en la descontaminación y remediación de aguas residuales es un tema de interés internacional debido a la urgente necesidad de generar procesos eficientes y que no generen residuos tóxicos en el proceso de degradación de las aguas tratadas. El plasma generado por una descarga corona es un proceso sustentable y de bajo costo para la remediación de aguas residuales. La caracterización del plasma, además de determinar las cantidades físicas que lo determinan, permite hacer la comparación entre métodos para especificar la eficiencia de los mismos. En este trabajo se presenta la medición de la potencia disipada por un plasma a presión atmosférica generado por el método de descarga corona utilizando el diagrama de Lissajous V-Q (voltaje-carga) y una resistencia de monitoreo de corriente. También se presenta su espectro de emisión donde se observan las especies químicas reactivas generadas en la descarga corona en aire.

Comparación de la eficiencia de remoción del colorante azul ácido 9 mediante plasma a diferentes concentraciones de un catalizador de hierro

La contaminación ambiental es uno de los problemas más preocupantes en la actualidad, las industrias son las principales fuentes de contaminación, debido a que producen aguas coloreadas de diferente composición. Los efluentes de las industrias textiles, de impresión de papel, farmacéuticas, alimentaria, cosmética y del cuero contienen colorantes sintéticos con altas concentraciones, estas altas concentraciones en los cuerpos de agua dificultan la capacidad de oxigenación, falta de luz solar en la vida acuática, afectando la fotosíntesis de las plantas y algas. Existen diversos métodos físicos, químicos y biológicos para el tratamiento de efluentes que contienen colorantes, pero aún no se logra resolver el problema, para ello es fundamental la innovación y modificación de los procesos donde requieren de tecnologías de tratamiento adecuadas que protejan el ambiente y reduzcan residuos. El objetivo de esta investigación fue verificar experimentalmente la eficiencia de remoción de un colorante mediante la interacción con el Plasma; para esto se utilizó el colorante azul ácido 9 (AA9), el cual es utilizado comúnmente en la industria textil. El estudio de la degradación del colorante AA9 se realizó en un reactor tipo Batch con una concentración inicial de 0.1 mM agregando diferentes volúmenes del catalizador $FeSO_4$ y aforando a un volumen total de 250 mL, aplicando el plasma durante 30 minutos. Se monitorio el cambio en la absorbancia, el pH, la conductividad eléctrica, los sólidos disueltos totales, la salinidad y la temperatura. Los resultados obtenidos indican que el tratamiento con mayor eficiencia para la degradación de este colorante mediante el plasma fue con 3.0 mL (0.6 mM de concentración) de catalizador de $FeSO_4$ en un intervalo de tiempo de 30 minutos. Los autores agradecen a los proyectos DGAPA IN105519, PRODEP DSA/103.5/15/6986, PROMEP 103.5/13/6626, PRODEP CA-5511-6/18-8304 y PII-43/PIDE/2013; CONACyT 268644 y UAEMex 6743/2022CIB.

Estudio de equilibrios capaces de superar el límite de Greenwald

Para conseguir la fusión nuclear en un plasma confinado magnéticamente se debe rebasar un umbral del producto de presión y tiempo de confinamiento de energía. Sin embargo, en el caso de los tokamaks se ha encontrado experimentalmente que la presión se ve limitada por un parámetro conocido como el límite de Greenwald [1]. Para superarlo es necesario recurrir a perfiles de presión concentrados en el centro de la columna de plasma, como recientemente se ha demostrado en el tokamak DIII-D de General Atomic [3]. En este trabajo se hace una exploración mediante el código FreeGS [3] para comparar equilibrios de tres aparatos diferentes que pudieran cumplir con esta condición. [1] Greenwald, M. et al., A new look at density limits in tokamaks. Nucl. Fusion 28, 219 (1988). [2] Ding et al. Nature, 627, 555 (2024). [3] Ben Dudson, FreeGS Documentation, PPPL Report, Feb. 2023, https://freegs.readthedocs.io/en/latest/

Formación de iones negativos en H2O y CO2 a energías predisociativas

Se ha usado la técnica pulsada de Townsend para medir la velocidad y difusión longitudinal electrónicas y el coeficiente efectivo de ionización al medir la componente electrónica del enjambre que compone la avalancha. Se ha encontrado que, a muy bajos valores de la relación entre la intensidad de campo eléctrico y la densidad del gas, E/N, el coeficiente de captura es fuertemente dependiente de la densidad, debido al fenómeno de colisión por tres cuerpos (dos electrones y una molécula), tal que el primer electrón excita a la molécula en cierto estado vibracional y en la segunda colisión el electrón es capturado, formándose así un ión negativo transitorio. Hemos probado este proceso en dos moléculas triatómicas: CO2, cuyo momento dipolar es cero, y H2O, que tiene un fuerte momento dipolar, con resultados similares. Se descarta por completo la disociación de las moléculas ya que las energías de los electrones son muy bajas, por lo que se infiere que los únicos iones negativos en cuestión son CO2- y H2O-. Trabajo apoyado por PAPIIT-UNAM 1112223. Se agradece el apoyo técnico de A. Bustos, G. Bustos y H. Hinojosa

Medición de coeficientes de enjambre en mezclas de H2O-He

Se presentará la medición de la velocidad y difusión longitudinal de electrones, el coeficiente efectivo de ionización y los coeficientes de captura electrónica por colisión de tres cuerpos para las mezclas H2O-He entre 1% y 50%. Dichas mediciones se han hecho utilizando el método pulsado de Townsend. Se ha encontrado que los coeficientes de ionización efectiva para mezclas con menos de 10% de H2O están afectados por la ionización de los metaestables de He (efecto Penning), y que este efecto disminuye con el aumento en la proporción de H2O en la mezcla. También se ha encontrado que los coeficientes de captura electrónica se extienden a la región conocida como de captura electrónica por tres cuerpos, en la que dependen paramétricamente de la presión total de la mezcla. Para relaciones entre la intensidad del campo eléctrico aplicado y la densidad del gas, E/N, se ha encontrado que los coeficientes de difusión y las velocidades de arrastre tienen una región de conductividad diferencial negativa. Trabajo apoyado por PAPIIT-UNAM 1112223. Se agradece el apoyo técnico de A. Bustos, G. Bustos y H. Hinojosa.

Fotodespojo de iones negativos de oxígeno ($O_{2}$) generados en la técnica pulsada de Townsend a bajos valores de E/N

El oxígeno molecular ($O_2$) ha sido esencial para la supervivencia y evolución de la vida, siendo además el segundo componente principal de la atmósfera terrestre después del nitrógeno ($N_2$). En la física de plasmas, el $O_2$ tiene importancia tanto como componente principal o contaminante del mismo, formando iones positivos como $O_2^+$, $O^+$, y negativos como $O^-$ y $O^-_2$ que participan en la evolución del plasma. En este trabajo se estudian los iones negativos presentes en una avalancha de Townsend formada en $O_2$ para valores pequeños del parámetro de Townsend (E/N), región en la cual la captura de electrones libres predomina sobre la ionización de las moléculas. Para estudiar dichos iones, se utiliza una técnica de fotodespojo que consiste en disparar un pulso laser transversal a la dirección de la avalancha con una longitud de onda de 532 nm (2.33 eV), proveniente del segundo armónico de un láser Nd:YAG, a una presión de 7 Torr y un valor de E/N de 16 Td ($1 Td = 10^{-17} Vcm^2$). Se observó la formación de iones negativos transitorios a partir del tiempo de retardo entre láseres de 0.4 $\mu$s hasta 120 $\mu$s, los iones negativos que se estudian son $O^-$ y $O^-_2$, con una afinidad electrónica de 1.46 eV (849 nm) y 0.45 eV (2757 nm) respectivamente. Los autores agradecen la asistencia técnica de G. Bustos, A. Bustos y H. Hinojosa. Investigación realizada gracias al Programa UNAM-PAPIIT IA101922 y IN114624.

Desarrollo de un paquete informático en Python para el análisis automático de los transitorios electrónicos del experimento Pulsado de Townsend

El experimento pulsado de Townsend es una técnica muy utilizada para la medición de los parámetros de enjambre en un gas débilmente ionizado; dichos parámetros son la velocidad de deriva ($v_e$) y los coeficientes de ionización efectiva $\left( \frac{\alpha-\eta}{N} \right)$ y de difusión longitudinal ($ND_L$). Para medir los parámetros de enjambre se ajusta la ecuación de Brambring a los datos medidos con la técnica pulsada de Townsend. En la cámara experimental se mide y registra la corriente de desplazamiento electrónica, llamado transitorio electrónico, para un valor determinado del parámetro de Townsend ($E/N$) a una presión fija. El método para medir los parámetros de enjambre que se utiliza actualmente consiste en ajustar dichos parámetros a la ecuación de Brambring mediante un programa computacional, llamado de cinco puntos, en donde se colocan cinco cursores o puntos en zonas claves del transitorio para obtener un primer ajuste a la ecuación de Brambring, y para mejorar el ajuste, se modifica cada uno de los parámetros hasta que la curva de la ecuación de Brambring sea lo más parecida a los datos experimentales. En este trabajo se presenta un paquete informático que permite el análisis automático de los transitorios reduciendo el tiempo y mejorando la fiabilidad del mismo. El paquete extrae una serie de cotas para los parámetros de enjambre con los que un modelo de ajuste por mínimos cuadrados obtiene los parámetros óptimos. La reducción de tiempo no es la única ventaja, el modelo es también capaz de analizar transitorios cuyas zonas de interés son difíciles de identificar a simple vista. Se presenta y discute la comparación de los datos obtenidos por el modelo de ajuste propuesto con el método actual, además de su comparación con experimentos reportados en la literatura en tres sistemas. Los autores agradecen la asistencia técnica de G. Bustos, H. Hinojosa y A. Bustos. Investigación realizada gracias al Programa UNAM-PAPIIT IA 101922 y IN114624.

Envoltura de placas mediante lluvia de altas energías

Se ha llevado a cabo un experimento de deposición de recubrimiento mediante ablación láser de alta energía en una cámara de vacío. Este método permitió la generación controlada de un recubrimiento de plasma sobre una placa de vidrio, lo que facilitó la manipulación de las estructuras atómicas resultantes. A continuación, se realizó un análisis exhaustivo de las propiedades físicas del recubrimiento, incluyendo espectroscopía, dureza, conductividad eléctrica y térmica, con el propósito de validar y caracterizar los cambios estructurales inducidos por el proceso.

Caracterización espectroscópica de un plasma Jet de He

Existen diferentes aplicaciones del plasma Jet, como en la industria, en medicina, tratamiento de superficies, fabricación de semiconductores, producción de nanomateriales, entre otros. En este sentido es importante y relevante el estudio espectroscópico ya que permite identificar los diferentes componentes y el estado del plasma. En el presente trabajo se describe la caracterización por espectroscopia óptica de emisión de un plasma jet de helio generado a presión atmosférica, en donde se determina la temperatura y densidad electrónica, esto mediante el análisis de las líneas espectrales obtenidas con espectrómetro Ocean Flame conectado a una fibra óptica, las principales especies encontradas son: He a las longitud 501.6 nm con transiciones 1s2s-1s3p, 447.1 nm con transición en 1s2p-1s4d y 388.9 nm con transición 1s2s-1s3p, así mismo se identifican especies como N2 en la banda de 315.03 nm a 420.14 nm pertenecientes al segundo sistema positivo y OH en las longitudes de onda de 307.5 y 310.2 nm. El cálculo de la temperatura y densidad electrónica se realizó mediante un código programado en Matlab que considera la convolución de Voigt para determinar los ensanchamientos Gaussiano y Lorentziano. Así mismo se determinó la potencia eléctrica de operación del plasma. Se agradece a la beca CONACYT para estudios de posgrado.

Study of a charge particle beam reflection in a magnetic mirror using Montecarlo and Particle in Cell Simulations

We study the reflection of a beam of electrons inside a magnetic field mirror. A magnetic mirror is a field with a gradient from the lowest value $B_0$ to the largest one $B_m$. We use Montecarlo and 2D-3V Particle in Cell (PIC) simulations in the $x ̂-z ̂$ plane. We simulated 5000 macroparticles in both methods. For the Montecarlo simulations, we randomly sample the pitch angles of the macroparticles using a Gaussian distribution centered at $θ=0$ and with a standard deviation $σ$. We take different values of $σ$ to represent the dispersion of the particles, as well as different values of the ratio $B_0/B_m$, and we study the influence that both variables have on the confinement of the electrons. On the other hand, in the PIC simulation, the macroparticles were uniformly distributed over the simulation domain and we obtained their velocities using a Maxwellian distribution. We calculate the pitch angle using these velocities and the magnetic field vector. Finally, we use an analytical model, both for the magnetic bottle and for the magnetic field gradient, and study the behavior of the electron beam in this field. Finally, we show that the results obtained in both methods complement each other and allow us to have a broader vision of the problem studied.