Los científicos que buscan llevar la fusión (el poder que impulsa al sol y las estrellas) a la Tierra deben primero hacer que el estado de la materia llamado plasma sea lo suficientemente caliente como para sostener las reacciones de fusión. Eso requiere calentar el plasma a muchas veces la temperatura del núcleo del sol. En ITER, la instalación internacional de fusión que se está construyendo en Francia para demostrar la viabilidad de la energía de fusión, el dispositivo calentará tanto los electrones libres como los núcleos atómicos, o iones, que forman el plasma. La pregunta es, ¿Qué hará esta mezcla de calentamiento con la temperatura y la densidad del plasma que son cruciales para la producción de fusión?

Una nueva investigación indica que comprender el calentamiento combinado muestra cómo podríamos mejorar la producción de fusión en ITER y otras instalaciones de fusión de próxima generación, un hallazgo clave de los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que General Atomics opera para el DOE, y otros colaboradores. "Esto muestra lo que sucede cuando se agrega calentamiento de electrones al calentamiento de iones, "dijo el físico de PPPL Brian Grierson, quien dirigió las pruebas de un modelo informático que proyectaba los resultados de DIII-D al ITER.

El modelo, creado por Gary Staebler de General Atomics e informado en un artículo en Física de Plasmas con Grierson como primer autor, investigó los resultados experimentales de DIII-D en condiciones que imitaban las esperadas en ITER. Diagnósticos proporcionados por la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad de California, Los Ángeles midió la turbulencia resultante, o fluctuaciones y remolinos aleatorios, que tuvo lugar en el plasma.

Turbulencia multiescala

Las mediciones revelaron turbulencia con longitudes de onda cortas a largas causadas por el calentamiento de electrones e iones. respectivamente. La combinación produjo una turbulencia "multiescala" que modificó la forma en que las partículas y el calor se escapan del plasma. La turbulencia puede reducir la velocidad de las reacciones de fusión.

El calentamiento combinado de electrones e iones alteró el gradiente, o tasa espacial de cambio en la densidad del plasma. Este hallazgo fue significativo porque la potencia de fusión que producen el ITER y otros tokamaks de próxima generación aumentará a medida que aumenta la densidad. Es más, el aumento tuvo lugar sin que las impurezas se acumularan en el núcleo del plasma y lo enfriaran, lo que podría detener las reacciones de fusión.

Los científicos utilizaron un modelo de "física reducida" llamado TGLF que simplificó las costosas y masivas simulaciones de turbulencia multiescala que requieren millones de horas de tiempo de computación en supercomputadoras. Los investigadores ejecutaron esta versión simplificada cientos de veces en computadoras PPPL para probar el impacto en el modelo de las incertidumbres derivadas de los experimentos DIII-D.

"El modelo TGLF aprovecha las propiedades de turbulencia débil de tokamaks como ITER, ", dijo Staebler." Calcula aproximadamente el transporte de plasma miles de millones de veces más rápido que una simulación de turbulencia multiescala girocinética ejecutada en supercomputadoras de alto rendimiento ".

Impacto del calentamiento de electrones

El modelo analizó específicamente el impacto del calentamiento de electrones en la mezcla de calentamiento general. Los investigadores producen ese calentamiento apuntando microondas a los electrones que giran alrededor de las líneas del campo magnético, un proceso que aumenta la energía térmica de los electrones. lo transfiere a los iones mediante colisiones, y complementa el calentamiento de los iones mediante inyección de haz neutro.

Los resultados indicaron que el estudio de la turbulencia multiescala será esencial para comprender cómo lidiar con el efecto multiescala en el transporte de calor. partículas e impulso en los tokamaks de próxima generación, o dispositivos de fusión, Grierson señaló. "Necesitamos entender el transporte bajo calentamiento de iones y electrones para proyectar con seguridad a futuros reactores, " él dijo, "porque las plantas de energía de fusión tendrán ambos tipos de calefacción".