Un obstáculo importante para producir de forma segura, La energía de fusión limpia y abundante en la Tierra es la falta de una comprensión detallada de cómo el calor, El gas de plasma cargado que alimenta las reacciones de fusión se comporta en el borde de las instalaciones de fusión llamadas "tokamaks". Los recientes avances de los investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han avanzado la comprensión del comportamiento del borde de plasma altamente complejo en tokamaks en forma de rosquilla en el camino hacia la captura de la energía de fusión que alimenta al sol y estrellas. Comprender esta región de borde será particularmente importante para operar ITER, el experimento internacional de fusión en construcción en Francia para demostrar la practicidad de la energía de fusión.

Hallazgo único

Entre los primeros hallazgos de su tipo se encuentra el descubrimiento de que tener en cuenta las fluctuaciones turbulentas en los campos magnéticos que confinan el plasma que alimenta las reacciones de fusión puede reducir significativamente el flujo de partículas turbulentas cerca del borde del plasma. Las simulaciones por computadora muestran que el flujo neto de partículas puede disminuir hasta en un 30 por ciento, a pesar del hecho de que la magnitud promedio de la fluctuación de la densidad de partículas turbulentas aumenta en un 60 por ciento, lo que indica que aunque las fluctuaciones de la densidad turbulenta son más virulentas, están sacando partículas del dispositivo de forma menos eficaz.

Los investigadores han desarrollado un código especializado llamado "Gkeyll", pronunciado como "Jekyll" en "El extraño caso del Dr. Jekyll y el Sr. Hyde" de Robert Louis Stevenson, que hace que estas simulaciones sean factibles. El código matemático una forma de modelado llamada "girocinética, "simula la órbita de partículas de plasma alrededor de las líneas del campo magnético en el borde de un plasma de fusión.

"Nuestro artículo reciente resume los esfuerzos del grupo Gkeyll en el área de simulación girocinética, "dijo el físico de PPPL Ammar Hakim, autor principal de un artículo de Physics of Plasmas que proporciona una descripción general de los logros del grupo, basado en una charla invitada que dio en la conferencia de la División de Física del Plasma (APS-DPP) de la Sociedad Estadounidense de Física el otoño pasado. La investigación, en coautoría con científicos de seis instituciones, adapta un algoritmo de última generación al sistema girocinético para desarrollar los "avances numéricos clave necesarios para proporcionar simulaciones precisas, "Dijo Hakim.

Esfuerzo mundial

Estos avances son parte del esfuerzo mundial por comprender la ciencia detrás de la producción de reacciones de fusión en la Tierra. Las reacciones de fusión combinan elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que constituyen el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía que podrían proporcionar un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad para la humanidad.

Noah Mandell, un estudiante de posgrado en el Programa de la Universidad de Princeton en Física del Plasma, construido sobre el trabajo del equipo para desarrollar el primer código girocinético capaz de manejar las fluctuaciones magnéticas en lo que se llama la capa de raspado de plasma (SOL) en el borde de los plasmas tokamak. El británico Revista de física del plasma ha publicado y destacado su informe como artículo destacado.

Mandell explora cómo la turbulencia de plasma en forma de gota dobla las líneas del campo magnético, conduciendo a la dinámica de "líneas de campo de baile". Encuentra que las líneas de campo generalmente se mueven suavemente, pero cuando se baila pueden reconfigurarse abruptamente en eventos de reconexión que hacen que converjan y se rompan violentamente.

Los hallazgos de Mandell se describen mejor como "prueba de concepto" con respecto a las fluctuaciones magnéticas, él dijo. "Sabemos que hay más efectos físicos que deben agregarse al código para realizar comparaciones detalladas con los experimentos, pero las simulaciones ya muestran propiedades interesantes cerca del borde del plasma, ", dijo." La capacidad de manejar la flexión de las líneas del campo magnético también será esencial para futuras simulaciones de modos localizados de borde (ELM), lo que nos gustaría hacer mejor para comprender las ráfagas de calor que causan y que deben controlarse para evitar daños en el tokamak ".

Muy retador

Lo que hace que este hallazgo sea único es que los códigos girocinéticos anteriores han simulado manchas SOL pero asumieron que las líneas de campo eran rígidas, Mandell anotó. Extender un código girocinético para calcular el movimiento de las líneas de los campos magnéticos es computacionalmente muy desafiante, requiriendo algoritmos especiales para asegurar que dos términos grandes se equilibren entre sí con una precisión mejor que 1 parte en un millón.

Es más, mientras que los códigos que modelan la turbulencia en el núcleo del tokamak pueden incluir fluctuaciones magnéticas, tales códigos no pueden simular la región SOL. "El SOL requiere códigos especializados como Gkeyll que puedan manejar fluctuaciones de plasma e interacciones mucho mayores con las paredes del reactor, "Dijo Mandell.

Los pasos futuros para el grupo Gkeyll incluirán investigar el mecanismo físico preciso que afecta la dinámica del borde del plasma, un efecto probablemente conectado a las líneas del campo de flexión. "Este trabajo proporciona trampolines que creo que son muy importantes, ", Dijo Hakim." Sin los algoritmos que hicimos, estos resultados serían muy difíciles de aplicar al ITER y otras máquinas ".