Islas magnéticas, estructuras similares a burbujas que se forman en plasmas de fusión, puede crecer e interrumpir los plasmas y dañar las instalaciones de tokamak en forma de rosquilla que albergan reacciones de fusión. Una investigación reciente en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha utilizado simulaciones por computadora a gran escala para producir un nuevo modelo que podría ser clave para comprender cómo las islas interactúan con el plasma circundante a medida que crecen y conducen a interrupciones.

Los resultados, que anulan las suposiciones de larga data sobre la estructura y el impacto de las islas magnéticas, son de simulaciones dirigidas por el físico visitante Jae-Min Kwon. Kwon, en un año sabático de las instalaciones de Investigación Avanzada de Tokamak Superconductores Coreanos (KSTAR), trabajó con físicos en PPPL para modelar las detalladas y sorprendentes observaciones experimentales realizadas recientemente en KSTAR.

Investigadores intrigados

"Los experimentos intrigaron a muchos investigadores de KSTAR, incluido yo, "dijo Kwon, primer autor del nuevo artículo teórico seleccionado como Editor's Pick en la revista Física de Plasmas . "Quería entender la física detrás del confinamiento sostenido del plasma que observamos, ", dijo." Los modelos teóricos anteriores suponían que las islas magnéticas simplemente degradaban el confinamiento en lugar de sostenerlo. Sin embargo, en KSTAR, no teníamos los códigos numéricos adecuados necesarios para realizar tales estudios, o suficientes recursos informáticos para ejecutarlos ".

La situación hizo que los pensamientos de Kwon se volvieran PPPL, donde ha interactuado a lo largo de los años con físicos que trabajan en el poderoso código numérico XGC que desarrolló el Laboratorio. "Como sabía que el código tenía las capacidades que necesitaba para estudiar el problema, Decidí pasar mi año sabático en PPPL, " él dijo.

Kwon llegó en 2017 y trabajó en estrecha colaboración con C.S. Chang, físico investigador principal de PPPL y líder del equipo XGC, y los físicos de PPPL Seung-Ho Ku, y Robert Hager. Los investigadores modelaron islas magnéticas utilizando condiciones de plasma de los experimentos KSTAR. La estructura de las islas resultó marcadamente diferente de los supuestos estándar, al igual que su impacto en el flujo de plasma, turbulencia, y confinamiento de plasma durante los experimentos de fusión.

Fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, es la fusión de elementos atómicos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Comprensión ausente durante mucho tiempo

"Hasta ahora no se ha comprendido cómo las islas interactúan con el flujo de plasma y la turbulencia, "Dijo Chang." Debido a la falta de cálculos detallados sobre la interacción de las islas con complicados movimientos de partículas y turbulencia de plasma, la estimación del confinamiento del plasma alrededor de las islas y su crecimiento se ha basado en modelos simples y no se comprende bien ".

Las simulaciones encontraron que el perfil de plasma dentro de las islas no era constante, como se pensaba anteriormente, y tener una estructura radial. Los hallazgos mostraron que la turbulencia puede penetrar en las islas y que el flujo de plasma a través de ellas puede cortarse fuertemente para que se mueva en direcciones opuestas. Como resultado, el confinamiento de plasma se puede mantener mientras las islas crecen.

Estos sorprendentes hallazgos contradecían modelos anteriores y coincidían con las observaciones experimentales realizadas en KSTAR. "El estudio muestra el poder de la supercomputación en problemas que no podrían estudiarse de otra manera, ", Dijo Chang." Estos hallazgos podrían sentar nuevas bases para comprender la física de la alteración del plasma, que es uno de los eventos más peligrosos que podría encontrar un reactor tokamak ".

Millones de horas de procesador

Calcular el nuevo modelo requirió 6.2 millones de horas de núcleo de procesador en la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El tiempo de procesamiento equivalía a miles de años en una computadora de escritorio. "Lo que quería eran resultados cuantitativamente precisos que pudieran compararse directamente con los datos de KSTAR, "Dijo Kwon." Afortunadamente, Pude acceder a suficientes recursos en NERSC para lograr ese objetivo a través de la asignación otorgada al programa XGC. Estoy agradecido por esta oportunidad ".

Avanzando, una computadora a mayor escala podría permitir que el código XGC comience a partir de la formación espontánea de las islas magnéticas y muestre cómo crecen, en interacción autoconsistente, con el flujo de plasma cortado y la turbulencia del plasma. Los resultados podrían conducir a una forma de prevenir desastrosas interrupciones en los reactores de fusión.