La vida de una partícula subatómica puede ser agitada. Los núcleos y electrones cargados que se cierran alrededor de los recipientes de vacío de las máquinas de fusión en forma de rosca conocidas como tokamaks siempre están en movimiento. Pero mientras ese movimiento ayuda a producir las reacciones de fusión que podrían impulsar unnueva clase de generador de electricidad, la turbulencia que genera también puede limitar esas reacciones.
Ahora, los físicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. PPPL parecen haber obtenido nuevas ideas importantes sobre lo que afecta esta turbulencia, que puede afectar la fuga de calor del plasma de fusión dentro de los tokamaks. Comprender cómo pierden los plasmas de fusiónel calor es crucial porque cuanto más un plasma es capaz de retener su calor, más eficiente puede ser un reactor de fusión. Tal comprensión podría mejorar el rendimiento de ITER, el tokamak multinacional que se está construyendo en Francia, al reducir la pérdida de calor.
Los resultados de esta investigación se han publicado en una serie de documentos, con el más reciente en Física de plasma en diciembre de 2015. Las observaciones iniciales se informaron en Cartas de revisión física en 2011 y en Física de plasma en 2012. La investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Los hallazgos se basan en el hecho de que el centro del plasma se calienta mucho más que el borde durante la operación de un tokamak. La turbulencia tiende a conducir los iones y electrones en el plasma central caliente hacia el borde, al igual que el agua más calienteen la parte inferior de una tetera tiende a mezclarse con el agua más fría en la parte superior, evitando que el agua o el plasma se calienten tanto como podría. Pero cuando los científicos crean lo que se conoce como un "gradiente de alta densidad", al hacerSi la densidad del plasma cambia rápidamente de alta en el centro a baja en los bordes, el plasma puede calentarse antes de que el calor comience a filtrarse.
En PPPL, un equipo de investigadores que incluye a los físicos Yang Ren y Walter Guttenfelder ahora ha demostrado que un gradiente de densidad pronunciado también puede reducir la intensidad de la turbulencia electrónica. Para continuar con la analogía de la tetera, un gradiente de densidad pronunciada puede debilitar la intensidad dela ebullición. Y una ebullición más débil, o turbulencia, significa que se escapa menos calor del plasma.
Los físicos hicieron su investigación sobre el Experimento Nacional Torus Esférico NSTX de PPPL, un tokamak esférico con forma de manzana con núcleo, antes de su reciente actualización. "NSTX es uno de los pocos tokamaks en el mundo que puede obtener un directomedición de la turbulencia a escala electrónica ", dijo Juan Ruiz Ruiz, un estudiante graduado en el MIT y primer autor del artículo más reciente.
Utilizando computadoras PPPL, el equipo analizó los datos producidos durante los experimentos de NSTX de 2010 cuando los científicos utilizaron un diagnóstico llamado dispositivo de dispersión de alta k que envía microondas al plasma y mide cómo se dispersan. Los datos confirmaron que la turbulencia era baja cuando elgradiente de densidad era empinado
Para analizar cómo el gradiente de densidad afectó la intensidad de la turbulencia de electrones, el equipo introdujo información sobre la temperatura y la densidad del plasma en un programa que se ejecuta en computadoras en el Centro de Computación Científica de la Investigación Nacional de Energía, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de la DOE en LawrenceLaboratorio Nacional de Berkeley en Berkeley, California. Los resultados mostraron que el gradiente pronunciado redujo la fuerza de la turbulencia electrónica mucho más de lo que habían predicho las teorías anteriores.
La discusión del documento sobre la turbulencia electrónica complementa la investigación del MIT que se informó recientemente en la revista Nuclear Fusion. Las simulaciones de experimentos en el Alcator C-Mod del MIT, un tokamak convencional con forma de dona, descubrieron que la turbulencia a escala electrónica puede contribuir significativamentea la turbulencia a escala de iones mucho más grande que se cree que domina la pérdida de calor en tokamaks convencionales.
Esta contribución se demostró en simulaciones multiescala, dirigidas por el científico investigador del MIT Nathan Howard, que contradecía una suposición común de que el impacto de los electrones era prácticamente insignificante en los tokamaks convencionales. La investigación separada de Ruiz proporcionó evidencia adicional de la importancia de los electrones para el turbulentotransporte de plasma. El tokamak esférico en el que se basa esta investigación permite que el impacto de los electrones se vea más fácilmente, ya que la turbulencia a escala de iones mucho mayor en tales tokamaks generalmente se suprime.
"Comprender los mecanismos estabilizadores de la turbulencia es definitivamente una tarea importante para obtener una capacidad predictiva en el diseño de futuros reactores de fusión", dijo Ruiz. "Se requiere más investigación para comprender las pérdidas de calor en tokamaks y la versión mejoradadel NSTX, el NSTX-U, ciertamente se utilizará para investigar este problema en detalle ".
Los miembros del equipo que contribuyeron a la investigación de Ruiz incluyeron científicos del MIT, la Universidad de California-Davis, la Universidad de Wisconsin-Madison, el Instituto Nacional de Investigación de Fusión en Corea del Sur y Nova Photonics, Inc. en Nueva Jersey.
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Materiales proporcionado por DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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