Un obstáculo clave para los investigadores de la fusión es comprender la turbulencia, las ondas y los remolinos que pueden hacer que el plasma supercaliente que alimenta las reacciones de fusión pierda calor y partículas y evite que se produzca la fusión. Comprender y reducir las turbulencias facilitará el desarrollo de la fusión como un seguro, fuente de energía limpia y abundante para generar electricidad a partir de centrales eléctricas de todo el mundo.

En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos han reunido una gran base de datos de mediciones detalladas de la estructura bidimensional (2-D) de la turbulencia del plasma del borde que se hace visible mediante una técnica de diagnóstico conocida como imagen de soplo de gas. Las dos dimensiones, medido dentro de un dispositivo de fusión llamado tokamak, representan la estructura radial y vertical de la turbulencia.

Paso hacia una comprensión más completa

"Este estudio es un paso incremental hacia una comprensión más completa de la turbulencia, "dijo el físico Stewart Zweben, autor principal de la investigación publicada en la revista Física de Plasmas . "Podría ayudarnos a comprender cómo funciona la turbulencia como la principal causa de fugas del confinamiento de plasma".

La fusión ocurre naturalmente en el espacio, fusionando los elementos ligeros en plasma para liberar la energía que alimenta el sol y las estrellas. En la tierra, los investigadores crean fusión en instalaciones como tokamaks, que controlan el plasma caliente con campos magnéticos. Pero la turbulencia con frecuencia hace que el calor se escape de su confinamiento magnético.

Los científicos de PPPL ahora han profundizado más allá de las caracterizaciones de turbulencia publicadas anteriormente y han analizado los datos para centrarse en las correlaciones espaciales 2-D dentro de la turbulencia. Esta correlación proporciona pistas sobre el origen del comportamiento turbulento que provoca la fuga de partículas y calor. y servirá como base adicional para probar simulaciones de turbulencia por computadora contra evidencia empírica.

Estudiando 20 descargas de plasma

El documento estudió 20 descargas de plasma elegidas como una muestra representativa de las creadas en el Experimento Nacional de Torus Esférico (NSTX) de PPPL antes de su reciente actualización. En cada una de estas descargas, una bocanada de gas iluminó la turbulencia cerca del borde del plasma, donde la turbulencia es de especial interés. Las bocanadas una fuente de átomos neutros que brillan en respuesta a los cambios de densidad dentro de una región bien definida, permitió a los investigadores ver fluctuaciones en la densidad de la turbulencia. Una cámara rápida registró la luz resultante a una velocidad de 400, 000 fotogramas por segundo sobre un tamaño de fotograma de imagen de 64 píxeles de ancho por 80 píxeles de alto.

Zweben y sus coautores realizaron un análisis computacional de los datos de la cámara, determinar las correlaciones entre las diferentes regiones de los fotogramas a medida que los remolinos turbulentos se mueven a través de ellos. "Estamos observando los patrones de la estructura espacial, ", Dijo Zweben." Puedes compararlo con la estructura de las nubes que pasan a la deriva. Algunas nubes grandes pueden agruparse o puede haber una ruptura con el cielo llano ".

Vista detallada de turbulencias

Las correlaciones proporcionan una vista detallada de la naturaleza de la turbulencia del plasma. "Hace tiempo que se conocen cosas simples sobre la turbulencia, como su tamaño y escala de tiempo, "dijo el físico de PPPL Daren Stotler, coautor del artículo. "Estas simulaciones profundizan en otro nivel para observar cómo varía la turbulencia en una parte del plasma con respecto a la turbulencia en otra parte".

En los gráficos resultantes, una cruz azul indica el punto de enfoque para un cálculo; las áreas rojas y amarillas alrededor de la cruz son regiones en las que la turbulencia está evolucionando de manera similar a la turbulencia en el punto focal. Más lejos, los investigadores encontraron regiones en las que la turbulencia está cambiando de manera opuesta a los cambios en el punto focal. Estas regiones más lejanas se muestran como tonos de azul en los gráficos, con la cruz amarilla indicando el punto con la correlación más negativa.

Por ejemplo, si las imágenes rojas y amarillas fueran una región de turbulencia de alta densidad, las imágenes azules indicaron baja densidad. "El aumento de densidad debe provenir de algún lugar, "dijo Zweben." Tal vez de las regiones azules. "

Avanzando, El conocimiento de estas correlaciones podría usarse para predecir el comportamiento de la turbulencia en plasma confinado magnéticamente. El éxito del esfuerzo podría profundizar la comprensión de una causa fundamental de la pérdida de calor de las reacciones de fusión.