Uno de los mayores obstáculos para hacer que la energía de fusión sea práctica, y cumplir su promesa de energía prácticamente ilimitada y relativamente limpia, ha sido que los modelos de computadora no han podido predecir cómo se comporta el gas caliente, cargado eléctricamente dentro de un reactor de fusiónel intenso calor y la presión necesarios para que los átomos se mantengan unidos.
La clave para que la fusión funcione, es decir, lograr que los átomos de una forma pesada de hidrógeno llamada deuterio se unan para formar helio, liberando una gran cantidad de energía en el proceso, es mantener una temperatura y presión suficientemente altaspara permitir que los átomos superen su resistencia entre sí, pero varios tipos de turbulencia pueden agitar esta sopa caliente de partículas y disipar parte del calor intenso, y un problema importante ha sido comprender y predecir exactamente cómo funciona esta turbulencia, y por lo tantocómo superarlo
Una discrepancia de larga data entre las predicciones y los resultados observados en los reactores de prueba se ha denominado "el gran problema sin resolver" para comprender la turbulencia que conduce a una pérdida de calor en los reactores de fusión. Resolver esta discrepancia es fundamental para predecir el rendimiento de los nuevosreactores de fusión como el enorme proyecto de colaboración internacional llamado ITER, en construcción en Francia.
Ahora, los investigadores del Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del MIT, en colaboración con otros de la Universidad de California en San Diego, General Atomics y el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, dicen que han encontrado la clave. En un resultado tan sorprendente queAl principio, a los propios investigadores les resultó difícil creer sus propios resultados, resulta que las interacciones entre la turbulencia en la escala más pequeña, la de los electrones y la turbulencia en una escala 60 veces mayor, la de los iones, pueden explicar el misterioso desajuste entreteoría y resultados experimentales.
Los nuevos hallazgos se detallan en un par de artículos publicados en las revistas Fusión nuclear y AIP Física de Plasmas , por el científico investigador del MIT Nathan Howard, el estudiante de doctorado Juan Ruiz Ruiz, Cecil e Ida Green, profesor asociado de ingeniería, Anne White, y 12 colaboradores.
White está muy sorprendido por los nuevos resultados, dice White. Agrega que se realizó un examen exhaustivo de los resultados detallados de las simulaciones por computadora, junto con las observaciones experimentales correspondientes, para mostrar que el resultado contraintuitivo era real.
remolinos persistentes
La expectativa de los físicos durante más de una década había sido que la turbulencia asociada con los iones átomos con una carga eléctrica era mucho mayor que la turbulencia causada por los electrones, casi dos órdenes de magnitud más pequeños, que la última sería completamentemanchados por los remolinos mucho más grandes. E incluso si los remolinos más pequeños sobrevivieran a las perturbaciones a mayor escala, el pensamiento convencional fue, estos remolinos a escala de electrones serían mucho más pequeños que sus efectos serían insignificantes.
Los nuevos hallazgos muestran que esta sabiduría convencional estaba equivocada en ambos aspectos. Las dos escalas de turbulencia sí coexisten, descubrieron los investigadores, e interactúan entre sí tan fuertemente que es imposible comprender sus efectos sin incluir ambos tipos en cualquiersimulaciones
Sin embargo, se requiere una cantidad prodigiosa de tiempo de computadora para ejecutar simulaciones que abarcan escalas tan dispares, explica Howard, quien es el autor principal del artículo que detalla estas simulaciones. El cumplimiento de cada simulación requirió 15 millones de horas de cómputo, realizadas por 17,000procesadores durante un período de 37 días en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía - haciendo de este equipo el mayor usuario de esa instalación durante el año. Usando un MacBook Pro ordinario para ejecutar el conjunto completo de seis simulaciones que llevó a cabo el equipo, Howardestimaciones, habrían tomado 3.000 años.
Pero los resultados fueron claros y sorprendentes. Lejos de ser eliminados por la turbulencia a mayor escala, los pequeños remolinos producidos por los electrones continúan siendo claramente visibles en los resultados, estirados en largas cintas que se enrollan alrededor del vacío en forma de rosquilla.cámara que caracteriza a un reactor de fusión tokamak. A pesar de la temperatura de 100 millones de grados Celsius dentro del plasma, estos remolinos en forma de cinta persisten durante el tiempo suficiente para influir en cómo se disipa el calor de la masa en remolino, un factor determinante en la cantidad de fusión que realmente puedetener lugar dentro del reactor.
Anteriormente, los científicos habían pensado que simplemente simulando la turbulencia por separado en las dos escalas de tamaño diferentes y sumando los resultados juntos daría una aproximación lo suficientemente cercana, pero seguían encontrando discrepancias entre esas predicciones y los resultados reales observados en los reactores de prueba.Howard dice que la simulación coincide con los resultados reales con mucha más precisión. Ahora, los investigadores de General Atomics están tomando estos nuevos resultados y los están utilizando para desarrollar una simulación simplificada y simplificada que podría ejecutarse en una computadora portátil común, dice Howard.
evidencia independiente
Además de las simulaciones teóricas, el estudiante graduado del MIT Ruiz Ruiz, autor principal del segundo artículo, ha analizado una serie de experimentos en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, que proporcionó evidencia directa de la turbulencia a escala electrónica que respalda las nuevas simulaciones.Los resultados ofrecen evidencia clara e independiente de que la turbulencia a escala electrónica realmente juega un papel importante, y muestran que este es un fenómeno general, no específico para el diseño de un reactor en particular.
Esto se debe a que las simulaciones de Howard se basaron en el reactor tokamak Alcator C-Mod del MIT, mientras que los resultados de Ruiz Ruiz fueron de un tipo diferente de reactor llamado National Spherical Torus Experiment, que tiene una configuración significativamente diferente.
White explica que comprender los detalles de estos diferentes mecanismos de turbulencia ha sido "un desafío excepcional" en el campo de la investigación sobre fusión, y estos nuevos hallazgos podrían mejorar en gran medida la comprensión de lo que realmente está sucediendo dentro de los 10 reactores de investigación tokamak que existenen todo el mundo, así como en futuros reactores experimentales en construcción o planificación.
"La evidencia de estos dos documentos, de que el transporte de energía de electrones en tokamaks tiene una contribución significativa de las turbulencias de iones y de escalas de electrones y que se necesitan simulaciones multiescala para predecir el transporte, es profundamente importante", dice Gary Staebler, uninvestigador de General Atomics que no participó en este trabajo. "Ambos documentos son de muy alta calidad", agrega. "La ejecución y el análisis de los experimentos es de primera clase".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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