Simulación de turbulencia de plasma que genera estrés residual positivo (rojo) y negativo (azul) que impulsa el cizallamiento por rotación. (recuadro) Comparación entre el perfil de rotación medido y simulado. Crédito:W. X. Wang
Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) y General Atomics del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han simulado un misterioso flujo autoorganizado del plasma supercaliente que alimenta las reacciones de fusión. Los hallazgos muestran que bombear más calor al núcleo del plasma puede generar inestabilidades que crean la rotación del plasma dentro del tokamak en forma de rosquilla que alberga el gas caliente cargado. Esta rotación se puede utilizar para mejorar la estabilidad y el rendimiento de los dispositivos de fusión.
Los resultados, informó en enero en la revista Cartas de revisión física , utilizar simulaciones de turbulencia de plasma basadas en primeros principios de experimentos realizados en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que General Atomics opera para el DOE en San Diego. Los hallazgos podrían conducir a un mejor control de las reacciones de fusión en ITER, el experimento internacional en construcción en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión. El apoyo para esta investigación proviene de la Oficina de Ciencias del DOE con simulaciones realizadas en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Rayos de alta energía
Para mejorar la estabilidad y el confinamiento del plasma, un gas compuesto de electrones e iones que a menudo se denomina cuarto estado de la materia, Los físicos han inyectado tradicionalmente haces de átomos neutros de alta energía. Estos rayos energéticos hacen que el núcleo y la región exterior del plasma giren a diferentes velocidades, creando un flujo cortado, o rotación, que mejora la estabilidad y el confinamiento. Un misterio persistente es cómo el plasma a veces genera su propio flujo cortado, espontáneamente.
La nueva investigación, dirigido por los físicos de PPPL Brian Grierson y Weixing Wang, muestra que el calentamiento suficiente del núcleo del plasma genera un tipo especial de turbulencia que produce un par intrínseco, o fuerza de torsión, que hace que el plasma genere su propio flujo cortado. Los hallazgos tienen relevancia para grandes, futuros reactores, ya que la inyección de haz neutro creará sólo una rotación limitada en los enormes plasmas dentro de tales instalaciones.
Plasmas autoorganizados
La investigación colaborativa de los científicos de PPPL y General Atomics descubrió que los plasmas pueden organizarse para producir una rotación cortada cuando se agrega calor de la manera correcta. El proceso funciona así:
Los investigadores utilizaron el código GTS para simular la física del transporte de plasma turbulento al modelar el comportamiento de las partículas de plasma mientras circulaban alrededor de campos magnéticos. La simulación predijo el perfil de rotación modelando el par intrínseco de la turbulencia y la difusión de su momento. La rotación prevista coincidió bastante bien, en forma y magnitud, con la rotación observada en los experimentos DIII-D.
Un próximo desafío clave será extrapolar los procesos para ITER. Dicho modelado requerirá simulaciones masivas que superarán los límites de las supercomputadoras de alto rendimiento actualmente disponibles. "Con experimentos cuidadosos y simulaciones detalladas de física fundamental, estamos empezando a comprender cómo el plasma crea su propia rotación cortada, ", dijo Grierson." Este es un paso clave en el camino hacia la optimización del flujo de plasma para hacer que los plasmas de fusión sean más estables, y operar con alta eficiencia ".
