Todo el mundo sabe que el juego de billar implica que las bolas se caigan de los lados de una mesa de billar, pero pocas personas pueden saber que el mismo principio se aplica a las reacciones de fusión. La forma en que las partículas cargadas, como los electrones y los núcleos atómicos que componen el plasma, interactúan con las paredes de los dispositivos en forma de rosquilla conocidos como tokamaks, ayuda a determinar la eficiencia con la que se producen las reacciones de fusión. Específicamente, en un fenómeno conocido como emisión secundaria de electrones (SEE), los electrones golpean la superficie de la pared, provocando la emisión de otros electrones. Esos electrones secundarios enfrían el borde del plasma y amortiguan el rendimiento general del plasma.

Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han estado estudiando SEE durante décadas, y en el último año han logrado importantes avances que amplían su comprensión. Más reciente, dos de los físicos:Marlene Patino, estudiante de posgrado en la Universidad de California, Los Angeles, y Angela Capece, profesor del College of New Jersey — han centrado sus esfuerzos en investigar cómo se ve afectado el SEE por los diferentes materiales y estructuras de las paredes.

Comprender SEE es crucial porque el comportamiento de los electrones secundarios podría afectar el rendimiento de las futuras máquinas de fusión. "Cuando las pérdidas de calor aumentan, la máquina de fusión es menos capaz de producir energía, "Dijo Capece.

En su investigación SEE, Capece estudió cómo interactuaban los electrones con el litio, un material de pared que podría mejorar la capacidad de los tokamaks para confinar el plasma. Otros científicos interesados ​​en el litio han creado modelos informáticos que simulan cómo el litio interactúa con los electrones del plasma. pero esos modelos no han tenido en cuenta la facilidad con la que el litio se une a otros oligoelementos en el plasma, como el oxigeno, para formar nuevas moléculas como el óxido de litio. Esas nuevas moléculas interactúan con los electrones de manera diferente a como lo haría el litio puro.

Específicamente, cuando los electrones chocan contra el óxido de litio en una pared de tokamak, muchos más electrones secundarios se liberan en el plasma que para los materiales de pared que no son de litio, como el tungsteno y el carbono. Si un tokamak tiene un revestimiento de grafito, un electrón que lo golpee con una determinada cantidad de energía puede producir un electrón secundario. Por otra parte, si un electrón con la misma energía golpea un revestimiento hecho de óxido de litio, podría resultar de uno a tres electrones secundarios.

Esta discrepancia es crucial. "Al incorporar SEE en modelos de dispositivos de fusión, Es importante tener en cuenta la reactividad del litio y que formará óxido de litio en un entorno tokamak. "Dijo Capece.

Capece finalmente descubrió que, en general, se vuelve más fácil para un electrón liberar un electrón secundario cuando aumenta el contenido de oxígeno en los revestimientos de litio. Su investigación cuantificó exactamente cómo la cantidad de oxígeno unido al litio en la pared cambia la cantidad de electrones secundarios que pueden ingresar al plasma. Si bien un mayor rendimiento de SEE podría aumentar la pérdida de calor, muchas variables en el borde del plasma podrían modificar el impacto.

Patiño estudió SEE desde una perspectiva diferente. Ella investigó estructuras diminutas, conocido como "fuzz, "que se forman en los revestimientos de tungsteno cuando han sido bombardeados por núcleos de helio. Observó que, en comparación con el tungsteno liso, el tungsteno con pelusa puede reducir la SEE entre un 40 y un 60 por ciento. Estos hallazgos fueron significativos porque los estudios de investigadores anteriores involucraron microestructuras manufacturadas, mientras que en este estudio la pelusa de tungsteno creció por sí sola. Es más, a diferencia de las estructuras manufacturadas, la reducción de SEE no depende del ángulo en el que los electrones se acercan a la pared, tanto porque los electrones secundarios quedan atrapados por la pelusa como porque las fibras en la pelusa se distribuyen aleatoriamente. "Esta falta de dependencia del ángulo de incidencia es importante para las paredes de las máquinas de plasma, ya que los electrones impactarán en las paredes en grandes ángulos oblicuos, "Dijo Patiño.

Su trabajo fue publicado en la edición de noviembre de 2016 de Letras de física aplicada . Capece se publicó en la edición de julio de 2016 de la misma revista. Su investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences). El trabajo de Patiño también recibió fondos de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR).

SEE atrajo primero la atención de los científicos de PPPL a través de la experimentación y la investigación teórica en propulsores de plasma, dispositivos que algún día podrían propulsar naves espaciales hacia objetos cósmicos distantes. "A los investigadores de PPPL se les ocurrió la idea de utilizar materiales de arquitectura superficial como el terciopelo de carbono para suprimir SEE y, por lo tanto, mejorar el rendimiento y la longevidad de los propulsores de plasma, "dijo Yevgeny Raitses, físico investigador principal en PPPL e investigador principal en los proyectos de Patino y Capece.