Un tema clave para los reactores de fusión de próxima generación es el posible impacto de muchos modos propios inestables de Alfvén, perturbaciones en forma de ondas producidas por las reacciones de fusión que ondulan a través del plasma en instalaciones de fusión en forma de rosquilla llamadas "tokamaks". Los combustibles de deuterio y tritio reaccionan cuando se calientan a temperaturas cercanas a los 100 millones de grados Celsius, 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 impulsar 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 escapar a las partículas alfa es un 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 están excitadas, pueden arrojar colectivamente muchas partículas alfa, poniendo en peligro las paredes de la cámara del reactor y el calentamiento eficiente del combustible.

Experimentos recientes llevados a cabo 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. Se observan pérdidas de hasta el 40 por ciento de las partículas de alta energía en experimentos cuando muchas ondas de Alfvén son excitadas por iones de haz de deuterio utilizados para simular partículas alfa e iones de haz de energía más alta en un reactor de fusión como ITER. que ahora está en construcción en el sur de Francia.

A raíz de esta investigación, Los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del DOE produjeron un modelo cuantitativamente preciso del impacto de estas ondas de Alfvén en los haces de deuterio de alta energía en el tokamak DIII-D. Utilizaron códigos de simulación llamados NOVA 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 del modelo NOVA de que más de 10 ondas Alfvén inestables pueden ser excitadas por los haces de deuterio en el experimento DIII-D. Es más, en concordancia cuantitativa con los resultados experimentales, el modelo predijo que hasta el 40 por ciento de las partículas energéticas 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 de 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 se pueden perder del plasma en base a los resultados obtenidos del modelado de los experimentos DIII-D", dijo Gerrit Kramer. un físico investigador de PPPL y autor principal de un artículo que describe los resultados del modelado en la edición de mayo de la revista Fusión nuclear .

Los hallazgos 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 partículas energéticas del plasma". "dijo el físico Raffi Nazikian, jefe del Departamento de ITER y Tokamaks de PPPL y líder de la colaboración del laboratorio con DIII-D.

El modelo NOVA + ORBIT indicó además que ciertas condiciones del plasma podrían reducir drásticamente el número de ondas de Alfvén y, por lo tanto, reducir las pérdidas de partículas energéticas. Estas ondas y las pérdidas que producen podrían minimizarse si se ampliara el perfil de corriente eléctrica en el centro del plasma. 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. "Las nuevas actualizaciones de la instalación DIII-D permitirán la exploración de mejores condiciones de plasma, ", Dijo Nazikian." Se proponen nuevos 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 ".