Décadas de investigación sobre la fusión han traído muchos avances en nuestra comprensión de la física del plasma, el gas ionizado caliente en el corazón de un reactor de fusión. Si bien se responden muchas preguntas, Aún quedan importantes desafíos.

Llevar, por ejemplo, turbulencia. Generalmente se acepta que el transporte turbulento de partículas, La energía y el impulso en un reactor tokamak juegan un papel clave en la determinación del nivel de confinamiento y rendimiento del reactor. Pero una comprensión profunda de la turbulencia del plasma y el mecanismo de transporte, y la capacidad de predecir cada uno con precisión, es un poco más difícil de alcanzar.

En una reacción de fusión, la energía se libera cuando dos isótopos de hidrógeno se fusionan para formar un núcleo más pesado, helio y un neutrón libre altamente energético. Para lograr velocidades de reacción lo suficientemente altas como para hacer de la fusión una fuente de energía útil, el hidrógeno contenido dentro del núcleo del reactor debe calentarse a temperaturas extremadamente altas, más de 100 millones de grados Celsius, lo que lo transforma en plasma caliente. En ciertos reactores, A continuación, se utilizan fuertes campos magnéticos para "contener" el plasma y evitar que toque las paredes de los vasos. un proceso conocido como confinamiento magnético.

Así que están sucediendo muchas cosas dentro del plasma a medida que se calienta. Impulsado por fuerzas eléctricas y magnéticas, las partículas cargadas se arremolinan y chocan entre sí, y la temperatura central y la densidad están en constante evolución. Además, Las inestabilidades del plasma, también conocidas como turbulencias, interrumpen la capacidad del reactor para producir energía sostenible al aumentar la tasa de pérdida de calor.

Afortunadamente, Las nuevas simulaciones de supercomputadoras hacen que sea más fácil predecir con mayor precisión aspectos clave del comportamiento del plasma. Un equipo de físicos de la Universidad de California en San Diego (UCSD), El Centro de Fusión y Ciencia del Plasma del MIT y el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) ejecutaron una serie de simulaciones girocinéticas multiescala en el Centro de Computación Científica de Investigación Energética Nacional (NERSC) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para determinar si el transporte de energía de electrones en una descarga de plasma tokamak es de naturaleza multiescala . Ser capaz de predecir con precisión el transporte de energía de electrones es fundamental para predecir el rendimiento en reactores futuros como ITER, actualmente en construcción en Cadarache, Francia.

"En un reactor de fusión, la mayor parte del calor generado en el plasma será transportado por los electrones, "dijo Chris Holland, científico investigador en el Centro de Investigación Energética de UCSD y autor principal de un estudio reciente en Fusión nuclear describiendo este trabajo. Este estudio se basa en investigaciones anteriores de Holland y sus colegas del MIT y General Atomics en las que utilizaron simulaciones multiescala para estudiar con mayor precisión las inestabilidades de turbulencia que causan la pérdida de calor del plasma.

Estas últimas simulaciones, que se realizaron con el código de turbulencia de plasma girocinético GYRO y utilizaron casi 70 millones de horas de tiempo de cálculo en el sistema Edison de NERSC, correspondía a las condiciones medidas en un análisis de plasma en el reactor tokamak DIII-D utilizando el escenario de línea de base ITER. El tokamak DIII-D, ubicado en General Atomics, se ha utilizado desde la década de 1980 para desarrollar las técnicas necesarias para operar el ITER y estudiar su impacto en el rendimiento del reactor.

Después de examinar las nuevas simulaciones multiescala, El equipo de investigación encontró que el transporte de energía de electrones en estos plasmas parece tener un fuerte carácter multiescala, la primera evidencia de este tipo de la naturaleza multiescala del transporte de electrones para condiciones como las que se esperan en ITER. Las simulaciones mostraron que para estas condiciones, el transporte de electrones ocurrirá en un rango de escalas mucho mayor (de ahí el término "multiescala") que en muchos experimentos anteriores, y que existen fuertes acoplamientos no lineales entre las diferentes escalas que las simulaciones anteriores no pudieron resolver.

Estos resultados amplían aún más nuestro conocimiento de lo que está ocurriendo dentro de los experimentos de investigación actuales de Tokamak y en futuros reactores experimentales como ITER, que se espera mejore el diseño del reactor. Además, Los investigadores de la energía de fusión pueden utilizar las nuevas simulaciones como una herramienta de predicción directa para encapsular la física del plasma en un reactor de fusión y producir modelos reducidos para diseñar futuros reactores. Holland señaló.

"Es vital hacer este tipo de simulaciones para identificar qué fenómenos esperar en un futuro reactor y cómo puede ser diferente de los experimentos actuales". ", dijo." Pero si quieres hacer una predicción real de cómo funcionará un experimento como ITER, tendrías que hacer decenas o cientos de estas simulaciones, lo que ciertamente está más allá de lo que podemos hacer ahora. Por lo tanto, es importante no solo hacer estas simulaciones, sino usarlas para comprender la física, producir modelos que sean más eficientes computacionalmente y realizar predicciones de simulación integradas de todo el dispositivo ".