Los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han ayudado a desarrollar un nuevo modelo informático de estabilidad del plasma en máquinas de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks. El nuevo modelo incorpora hallazgos recientes recopilados de esfuerzos de investigación relacionados y simplifica la física involucrada para que las computadoras puedan procesar el programa más rápidamente. El modelo podría ayudar a los científicos a predecir cuándo un plasma podría volverse inestable y luego evitar las condiciones subyacentes.

Esta investigación se informó en un artículo publicado en Física de Plasmas en febrero de 2017, y recibió fondos de la Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences).

El código de estabilidad del plasma fue escrito en parte por Jack Berkery, un científico investigador en el Departamento de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Columbia que ha estado asociado con PPPL durante casi 10 años. Está trabajando en este proyecto con Steve Sabbagh, un científico investigador senior y profesor adjunto de física aplicada en Columbia que ha colaborado con PPPL durante casi tres décadas. Tanto Berkery como Sabbagh son parte del grupo Columbia en PPPL.

La nueva investigación es la última en el esfuerzo combinado de los físicos para desarrollar un programa informático estabilizador de plasma más grande y más capaz conocido como el código de Caracterización y Pronóstico de Eventos de Interrupción (DECAF) que predecirá y ayudará a evitar interrupciones.

Dentro de los plasmas de tokamak, muchas fuerzas se equilibran para crear un equilibrio estable. Una fuerza es una presión expansiva creada por las propiedades intrínsecas del plasma:una sopa de partículas cargadas eléctricamente. Otra fuerza es producida por imanes que confinan el plasma, evitando que toque las paredes internas del tokamak y se enfríe.

Los físicos e ingenieros del plasma quieren que el plasma esté sometido a tanta presión magnética como sea posible, porque la alta presión significa que las partículas de plasma interactúan con más frecuencia, aumentando tanto las posibilidades de que se produzcan reacciones de fusión como la cantidad de calor producido por el tokamak. Investigaciones anteriores de Berkery y Sabbagh en máquinas, incluida la Actualización del Experimento Nacional de Torus Esférico (NSTX-U) en PPPL, han demostrado que la alta presión de plasma se puede contener de manera estable si otras propiedades del plasma, como la forma en que gira, tienen características particulares.

"Idealmente, desea operar tokamaks a alta presión porque para obtener un buen rendimiento de fusión, quieres tener la mayor presión posible, "Berkery continuó." Desafortunadamente, cuando haces eso, pueden surgir inestabilidades. Entonces, si puede encontrar una manera de estabilizar el plasma, entonces puedes operar tu tokamak a una presión más alta ".

El programa actualizado fue escrito para predecir las condiciones que mejor contendrían el plasma de alta presión. El programa, aunque, es solo un componente del código DECAF, que incluye muchos módulos que monitorean diferentes aspectos de un plasma en un esfuerzo por determinar cuándo el plasma se está volviendo inestable. "Durante años, hemos estado investigando qué condiciones conducen a la inestabilidad y cómo podemos tratar de evitar esas condiciones, "Dijo Berkery.

El código recopila información que incluye la densidad del plasma, temperatura, y la forma de la rotación del plasma. Luego calcula qué combinaciones de estas condiciones producen un plasma estable, descubriendo simultáneamente qué combinaciones de condiciones producen un plasma inestable. El nuevo código busca específicamente señales de un estado inestable que se aproxima, conocido como modo de muro resistivo. Un plasma entra en este estado cuando las fuerzas que hacen que el plasma se expanda son más fuertes que las fuerzas que lo confinan. Los campos magnéticos intrínsecos del plasma se expanden hacia afuera y golpean el interior de las paredes del tokamak.