Una cuestión clave para los reactores de fusión de próxima generación es el posible impacto de muchos modos propios inestables de Alfvén, perturbaciones en forma de onda producidas por las reacciones de fusión que se extienden por el plasma en instalaciones de fusión en forma de rosquilla llamadas "tokamaks". Deuterio y combustible de tritioreacciona cuando se calienta a temperaturas cercanas a los 100 millones de grados centígrados, produciendo iones de helio de alta energía llamados partículas alfa que calientan el plasma y sostienen las reacciones de fusión.
Estas partículas alfa son incluso más calientes que el combustible y tienen tanta energía que pueden conducir los modos propios de Alfvén que permiten que las partículas escapen de la cámara de reacción antes de que puedan calentar el plasma. Comprender estas ondas y cómo ayudan a las partículas alfa a escapar esUn tema de investigación clave en la ciencia de la fusión.
Si solo una o dos de estas ondas se excitan en la cámara de reacción, el efecto sobre las partículas alfa y su capacidad para calentar el combustible es limitado. Sin embargo, los teóricos han predicho durante algún tiempo que si muchas de estas ondas se excitan,pueden arrojar colectivamente muchas partículas alfa, poniendo en peligro las paredes de la cámara del reactor y el calentamiento eficiente del combustible.
Experimentos recientes realizados en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, que General Atomics opera para el Departamento de Energía de EE. UU. DOE en San Diego, han revelado evidencia que confirma estas predicciones teóricas. Pérdidas de hasta el 40 por ciento de alta energíaSe observan partículas en los experimentos cuando muchas ondas Alfvén son excitadas por iones de haz de deuterio utilizados para simular partículas alfa e iones de haz de mayor energía en un reactor de fusión como ITER, que ahora se está construyendo en el sur de Francia.
A raíz de esta investigación, los físicos del Laboratorio de Física de Plasma Princeton del DOE PPPL produjeron un modelo cuantitativamente exacto del impacto de estas ondas Alfvén en haces de deuterio de alta energía en el tokamak DIII-D. Utilizaron códigos de simulación llamadosNOVA y ORBIT para predecir qué ondas de Alfvén se excitarían y su efecto en el confinamiento de las partículas de alta energía.
Los investigadores confirmaron la predicción de modelado de NOVA de que más de 10 ondas Alfvén inestables pueden ser excitadas por los haces de deuterio en el experimento DIII-D. Además, en acuerdo cuantitativo con los resultados experimentales, el modelado predijo que hasta el 40 por ciento de los energéticoslas partículas se perderían. El modelado demostró por primera vez, en este tipo de plasma de alto rendimiento, que se pueden hacer predicciones cuantitativamente precisas para el efecto de múltiples ondas Alfvén en el confinamiento de partículas energéticas en el tokamak DIII-D.
"Nuestro equipo confirmó que podemos predecir cuantitativamente las condiciones en las que las partículas alfa de fusión pueden perderse del plasma en función de los resultados obtenidos de la modelización de los experimentos DIII-D", dijo Gerrit Kramer, físico investigador de PPPL y autor principalde un artículo que describe los resultados del modelado en la edición de mayo de la revista Fusión nuclear .
Los resultados conjuntos marcaron un avance potencialmente grande en la comprensión del proceso. "Estos resultados muestran que ahora tenemos una sólida comprensión de las ondas individuales excitadas por las partículas energéticas y cómo estas ondas trabajan juntas para expulsar las partículas energéticas del plasma,"dijo el físico Raffi Nazikian, jefe del Departamento de ITER y Tokamaks en PPPL y líder de la colaboración del laboratorio con DIII-D.
El modelo NOVA + ORBIT indicó además que ciertas condiciones de plasma podrían reducir drásticamente el número de ondas Alfvén y, por lo tanto, disminuir las pérdidas de partículas energéticas. Dichas ondas y las pérdidas que producen podrían minimizarse si el perfil de corriente eléctrica en el centro de la corrienteel plasma podría ampliarse, según el análisis presentado en el artículo científico.
Los experimentos para probar estas ideas para reducir las pérdidas de partículas energéticas se llevarán a cabo en una siguiente campaña de investigación sobre DIII-D. "Nuevas actualizaciones a la instalación DIII-D permitirán la exploración de condiciones mejoradas de plasma", dijo Nazikian. "NuevoSe proponen experimentos para acceder a las condiciones predichas por la teoría para reducir las pérdidas de partículas energéticas, con importantes implicaciones para el diseño óptimo de futuros reactores ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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