Un desafío clave en la investigación de la fusión es mantener la estabilidad del calor, plasma cargado que alimenta reacciones de fusión dentro de instalaciones en forma de rosquilla llamadas "tokamaks". Físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), han descubierto recientemente que las partículas a la deriva en el plasma, que consta de electrones libres y núcleos atómicos, puede prevenir inestabilidades que reducen la presión crucial para las reacciones de fusión de alto rendimiento dentro de estas instalaciones.

Fusión, el poder que impulsa el sol y otras estrellas, es la fusión de elementos ligeros en forma de plasma que produce cantidades masivas de energía. Los científicos de PPPL buscan estudiar y replicar la fusión calentando el plasma a temperaturas supercalientes dentro de un tokamak y confinándolo bajo presión en espiral. campos magnéticos. Los físicos utilizan el término "beta" para caracterizar cómo se compara la presión del calor producido por un tokamak con la presión del campo magnético utilizado para contener el plasma.

La investigación dirigida por Zhirui Wang utilizó datos del Experimento Nacional de Torus Esférico (NSTX), un tokamak esférico en PPPL con forma de manzana con corazón que produce plasmas de alta beta. Los hallazgos del estudio explican cómo las partículas que se desplazan y rebotan dentro de los campos pueden estabilizar plasmas de alta presión y alto rendimiento.

Estas partículas quedan atrapadas y rebotan hacia adelante y hacia atrás dentro de una porción limitada de los campos magnéticos en lugar de atravesar toda su circunferencia alrededor de la máquina. Las propias porciones pueden desplazarse por la máquina. El rebote y la deriva pueden disipar energía que, de otro modo, desestabilizaría el plasma e interferiría con las reacciones de fusión. los físicos encontraron.

Los investigadores notaron por primera vez las discrepancias entre los datos de NSTX y las predicciones de simulación. La modificación del código para tener en cuenta las partículas atrapadas mejoró el acuerdo al producir simulaciones que sugieren que el plasma permanecería estable por más tiempo bajo alta presión, como mostraron los experimentos NSTX. "Descubrimos que los tokamaks pueden ir a una beta más alta porque el plasma se estabilizará por estos efectos cinéticos, "dijo Wang, autor principal de un artículo que describe los resultados en la revista Nuclear Fusion.

Las simulaciones cinéticas mejoradas también podrían conducir a mejores predicciones y control de las inestabilidades del plasma conocidas como modos localizados en los bordes (ELM), que aparecen en el borde de los plasmas de alto confinamiento y al liberar grandes cantidades de energía a la pared pueden dañar significativamente los componentes que se enfrentan al plasma en un reactor de fusión. Mejores predicciones permitirían a los científicos prever cuándo está a punto de ocurrir un ELM y ajustar los controles magnéticos para mitigar o suprimir por completo la inestabilidad antes de que erosione los materiales que rodean el plasma de fusión.

Los hallazgos generales de esta investigación podrían conducir a un mejor logro de plasmas de fusión de alto rendimiento en los tokamaks actuales y en el ITER. el experimento internacional en construcción en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión.