Los pájaros lo hacen y también las instalaciones de fusión en forma de rosquilla llamadas "tokamaks". Pero el chirrido de tokamak, una onda de frecuencia que cambia rápidamente y que puede estar muy por encima de lo que el oído humano puede detectar, no es bienvenido por los investigadores que buscan traer la fusión que impulsa al sol y las estrellas a la Tierra. Tal chirrido indica una pérdida de calor que puede ralentizar las reacciones de fusión, una pérdida que ha desconcertado a los científicos durante mucho tiempo.

Para agravar el rompecabezas es que algunos tokamaks pitan con más frecuencia que otros. Por ejemplo, Los chirridos se han producido comúnmente en la Actualización del Experimento Nacional de Torus Esférico (NSTX-U) en el Laboratorio de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), pero ha sido raro en el tokamak de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que General Atomics opera para el DOE en San Diego. Comprender por qué algunos tokamaks emiten un chirrido y otros no es importante para que los investigadores puedan predecir y eventualmente aprender a evitar tales chirridos en el tokamak del ITER. el reactor de fusión internacional que se está construyendo en el sur de Francia para demostrar la practicidad de la energía de fusión.

En un reactor de fusión como ITER, Las reacciones de fusión producen "iones rápidos", núcleos atómicos de gran energía en los que los científicos confían para mantener las altas temperaturas del plasma necesarias para mantener el plasma caliente. Tales iones son como un viento rápido que, bajo ciertas condiciones, puede excitar ondas llamadas "ondas de Alfvén" en el plasma caliente, al igual que las notas musicales que se producen al soplar en un instrumento de viento. Si el viento de iones rápido es lo suficientemente fuerte, las olas de Alfvén comienzan a chirriar, que provocará pérdida de energía, Reducir la temperatura del plasma y la potencia de fusión.

Condiciones que conducen a chirriar

Los científicos dirigidos por los investigadores de PPPL ahora han modelado las condiciones del plasma que dan lugar al chirrido y predicen cuándo ocurrirá. El modelo de computadora, probado con éxito en el tokamak DIII-D, describe el impacto de la turbulencia, la fluctuación aleatoria del plasma que puede conducir a la pérdida de calor y partículas, sobre los iones rápidos. El modelo muestra que la turbulencia en el plasma ayuda a disolver o dispersar el viento de iones rápidos. Si la dispersión es lo suficientemente fuerte, los iones rápidos ya no tienen la fuerza para causar el chirrido de la onda Alfvén y se puede reducir la pérdida de calor del plasma.

Hasta hace poco, Ha sido un desafío encontrar evidencia directa del papel de la turbulencia en afectar la fuerza del viento de iones rápidos y su papel en el chirrido. Los experimentos recientes de DIII-D han revelado la íntima conexión entre los niveles de turbulencia y el chirrido del plasma.

En estos experimentos, el viento de iones rápido produjo una sola nota de Alfvén en el plasma, como una sola nota en un instrumento de viento. Luego, cuando el plasma pasa espontáneamente a un nuevo estado de confinamiento mejorado con bajos niveles de turbulencia, la nota de Alfvén comienza a chirriar rápidamente.

Este inicio de chirridos está claramente relacionado con la reducción de la turbulencia, Dado que las turbulencias más bajas ya no pueden dispersar el viento de iones rápido, permitiendo que se acumule lo suficiente como para impulsar las olas de Alfvén con más fuerza y ​​hacer que comiencen a chirriar. "El movimiento coherente de los racimos de iones rápidos cuando la turbulencia disminuye da lugar al chirrido y la fuga y el calor asociados con el chirrido, "dijo Vinícius Duarte, un físico investigador asociado de PPPL y ex científico visitante de la Universidad de São Paulo, Brasil, quien es el autor principal de un artículo que describe los hallazgos en Física de Plasmas y presentado como un "Scilight" —un punto culminante de la ciencia— por el Instituto Americano de Física.

¿Por qué algunos plasmas chirrían?

La teoría desarrollada por Duarte también indica por qué algunos plasmas chirrían y otros no. La explicación es que la turbulencia es mucho menos efectiva para dispersar el viento de iones rápidos en algunos dispositivos en comparación con otros. El siguiente paso será utilizar este conocimiento para diseñar métodos para prevenir el chirrido en los experimentos actuales. y utilizar dichos métodos en el diseño de futuros reactores de fusión como el ITER.