Los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han simulado la transición espontánea de la turbulencia en el borde de un plasma de fusión al modo de alto confinamiento (modo H) que sostiene las reacciones de fusión. La simulación detallada es la primera física básica, o basado en primeros principios, Modelado con pocas suposiciones simplificadoras.

La investigación se logró con el código de turbulencia de plasma de escala extrema XGC desarrollado en PPPL en colaboración con un equipo nacional. Los hallazgos proporcionan la base física para el funcionamiento exitoso de los tokamaks actuales y futuros que producirán reacciones de fusión potentes y económicas.

Esta simulación masivamente paralela, que revela la física detrás de la transición, utilizó la mayor parte del poder de una supercomputadora. El código XGC se ejecutó durante tres días y tomó el 90 por ciento de la capacidad de Titan en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), que es la supercomputadora más poderosa del país para la ciencia abierta y capaz de realizar hasta 27 millones de billones (1015) operaciones por segundo.

"Después de 35 años, la física fundamental de la bifurcación de la turbulencia en modo H ahora se ha simulado, gracias al rápido desarrollo de la capacidad de hardware y software computacional, "dijo C.S. Chang, primer autor del abril Cartas de revisión física papel [118, 175001 (2017)] que informó los hallazgos. Los coautores incluyeron un equipo de PPPL, la Universidad de California, San Diego, y el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT. Seung-Hoe Ku de PPPL realizó la simulación.

Como ejemplo del uso del modelo, el núcleo del plasma dentro del tokamak ITER de siete pisos, el experimento internacional de fusión en construcción en Francia, tendrá que ser más de 10 veces más caliente que el núcleo del sol, cuya temperatura es de 15 millones de grados centígrados. Sin embargo, el borde del plasma situado a unos 2 metros de distancia, será 1, 000 veces más fresco, con la mayor parte de la temperatura cayendo sobre una pendiente radial cuyo ancho es solo un pequeño porcentaje del tamaño total del plasma.

En 1982, Investigadores alemanes descubrieron que el borde del plasma puede bifurcarse espontáneamente en un pedestal alto con una pendiente pronunciada. o barrera de transporte, que produce el confinamiento en modo H y mantiene el calor del núcleo de plasma. Esta bifurcación tiene lugar cuando la potencia de calentamiento del tokamak se eleva por encima de un nivel crítico.

La creación de la barrera de transporte ocurre casi instantáneamente. La acumulación resulta de la supresión de la turbulencia del borde, que desciende de amplitud alta a baja en menos de una décima de milisegundo. El rompecabezas que ha desconcertado a los físicos durante más de tres décadas es lo que hace que suceda esta transición.

Los investigadores han mantenido durante mucho tiempo dos historias contradictorias, basado en modelos reducidos y varios grados de simplificación de supuestos, que surgen de la complejidad del borde de plasma y la falta de potencia de cálculo. Una escuela propone que la transformación proviene de un flujo cizallado de plasma de borde generado por turbulencias generado por un proceso llamado "estrés de Reynolds". En oposición a este punto de vista, hay una escuela que atribuye la bifurcación a un flujo cizallado no turbulento.

El código de escala extrema de PPPL indica que ambas historias son parcialmente correctas. La simulación revela que la bifurcación resulta de la relación sinérgica entre el flujo cizallado generado por tensión de Reynolds y el flujo cizallado generado no turbulento. que se conoce técnicamente como el flujo "neoclásico" y "impulsado por pérdidas en la órbita del punto X". En breve, dice el periódico, "el argumento experimental basado en el mecanismo de pérdida de órbita ... y el argumento convencional de la tensión de Reynolds funcionan juntos".

Para ITER y otras máquinas de próxima generación, la bifurcación al modo H podría requerir un aumento en la potencia de calefacción si el flujo cizallado no impulsado por turbulencias resulta ser más débil de lo que requieren los tokamaks actuales. Lo contrario también es cierto:si el flujo cizallado no impulsado por turbulencias resultara ser más fuerte de lo que se anticipa actualmente para el ITER, Es posible que se necesite menos potencia de calefacción para lograr la transformación crucial al modo H.