Los científicos proponen una solución al desconcertante problema de la fusión

El físico Stephen Jardin con imágenes de su solución propuesta. Crédito: Elle Starkman / Oficina de Comunicaciones de PPPL / Kiran Sudarsanan

La paradoja asustó a los científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. hace más de una docena de años. Cuanto más calor irradiaban en un tokamak esférico, una estructura magnética diseñada para reproducir la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas, menos aumentaba la temperatura central.


gran misterio

«Normalmente, cuanto mayor sea la potencia del haz ingresado, mayor será la temperatura», dijo Stephen Jardin, jefe del grupo de teoría y ciencia computacional que realizó los cálculos y autor principal de una explicación propuesta publicada en Cartas de revisión física. «Así que esto era un gran misterio: ¿por qué sucede esto?»

Resolver el misterio podría contribuir a los esfuerzos en todo el mundo para crear y controlar la fusión en la Tierra para producir una fuente prácticamente inagotable de energía segura, limpia y libre de carbono para generar electricidad mientras se lucha contra el cambio climático. Fusion combina elementos ligeros en forma de plasma para liberar grandes cantidades de energía.

A través de recientes simulaciones por computadora de alta resolución, Jardin y sus colegas han demostrado qué puede hacer que la temperatura permanezca plana o incluso disminuya en el centro del plasma que alimenta las reacciones de fusión, incluso cuando se transmite más potencia de calentamiento. Descubrieron que aumentar la potencia también aumenta la presión en el plasma hasta el punto en que el plasma se vuelve inestable y el movimiento del plasma aplana la temperatura.

«Estas simulaciones probablemente explican una observación experimental realizada hace más de 12 años», dijo Jardin. «Los resultados indican que al diseñar y ejecutar experimentos de tokamak esférico, se debe tener cuidado para garantizar que la presión del plasma no exceda ciertos valores críticos en ciertos puntos del [facility]», dijo. «Y ahora tenemos una manera de cuantificar estos valores a través de simulaciones por computadora».

Los hallazgos resaltan un obstáculo clave que los investigadores deben evitar cuando intentan reproducir reacciones de fusión en tokamaks esféricos, dispositivos más parecidos a manzanas sin corazón que a los tokamaks convencionales en forma de rosquilla más utilizados. Los dispositivos esféricos producen campos magnéticos convenientes y son candidatos para convertirse en modelos para una planta piloto de energía de fusión.

Los investigadores simularon experimentos anteriores en el National Spherical Torus Experiment (NSTX), la instalación de fusión insignia de PPPL que desde entonces ha sido mejorada, y donde se observó el desconcertante comportamiento del plasma. Los resultados fueron en gran medida paralelos a los encontrados en los experimentos NSTX.

“A través de NSTX obtuvimos los datos y un programa DOE llamado SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] desarrollamos el código de computadora que usamos”, dijo Jardin.

El físico y coautor de PPPL, Nate Ferraro, dijo: «El programa SciDAC fue absolutamente fundamental en el desarrollo del código».

Mecanismo descubierto

El mecanismo descubierto provocó un aumento de la presión en ciertos puntos para romper las superficies magnéticas anidadas formadas por los campos magnéticos que envuelven el tokamak para confinar el plasma. La ruptura aplanó la temperatura de los electrones dentro del plasma y, por lo tanto, evitó que la temperatura en el centro del gas caliente y cargado subiera a fusión– niveles relevantes.

«Entonces, lo que pensamos ahora es que cuando elevamos la inyección poder del rayo también estás aumentando la presión del plasma y llegas a cierto punto en el que la presión comienza a destruir las superficies magnéticas cerca del centro del tokamak «, dijo Jardin», razón por la cual la temperatura deja de aumentar «.

Este mecanismo podría ser general en tokamaks esféricos, dijo, y se debe considerar la posible destrucción de la superficie cuando el futuro tokamas esféricos estan planeados.

Jardin planea continuar investigando el proceso para comprender mejor la destrucción de las superficies magnéticas y por qué parece más probable en forma esférica que convencional. tokamak. También fue invitado a presentar sus hallazgos en la reunión anual de la American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) en octubre, donde se podrían reclutar científicos de carrera temprana para abordar el problema y profundizar en los detalles del mecanismo propuesto.


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Más información:
SC Jardin et al, Temperatura de electrones limitada MHD ideal en Tokamak esférico, Cartas de revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.245001

Citación: Los científicos proponen una solución al largo y enigmático problema de la fusión (13 de julio de 2022) recuperado el 14 de julio de 2022 de https://phys.org/news/2022-07-scientists-solution-long-puzzling-fusion-problem.html

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