Un obstáculo clave para controlar en la Tierra la fusión que alimenta el sol y las estrellas es la fuga de energía y partículas del plasma. el caliente, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que alimenta las reacciones de fusión. En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los físicos se han centrado en validar simulaciones por ordenador que pronostican las pérdidas de energía causadas por el transporte turbulento durante los experimentos de fusión.

Los investigadores utilizaron códigos desarrollados en General Atomics (GA) en San Diego para comparar las predicciones teóricas del transporte turbulento de electrones e iones con los resultados de la primera campaña del laboratorio de actualización compacta (o "relación de aspecto baja") del National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX -U). GEORGIA, que opera la Instalación Nacional de Fusión DIII-D para el DOE, ha desarrollado códigos adecuados para este propósito.

Los tokamaks de baja relación de aspecto tienen forma de manzanas sin corazón, a diferencia de los tokamaks convencionales más utilizados que tienen forma de rosquilla.

Códigos de última generación

"Tenemos códigos de última generación basados ​​en teorías sofisticadas para predecir el transporte, "dijo el físico Walter Guttenfelder, autor principal de un Fusión nuclear documento que informa los hallazgos de un equipo de investigadores. "Ahora debemos validar estos códigos en una amplia gama de condiciones para estar seguros de que podemos utilizar las predicciones para optimizar los experimentos presentes y futuros".

El análisis del transporte observado en los experimentos de NSTX-U encontró que un factor importante detrás de las pérdidas fue la turbulencia que causó que el transporte de electrones fuera "anómalo, "lo que significa que se propagan rápidamente, similar a la forma en que la leche se mezcla con el café cuando se revuelve con una cuchara. Los códigos GA predicen que la causa de estas pérdidas es una combinación compleja de tres tipos diferentes de turbulencia.

Los hallazgos observados abrieron un nuevo capítulo en el desarrollo de predicciones de transporte en tokamaks de baja relación de aspecto, un tipo de instalación de fusión que podría servir como modelo para los reactores de fusión de próxima generación que combinan elementos ligeros en forma de plasma para producir energía. . Los científicos de todo el mundo buscan replicar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Los investigadores de PPPL ahora tienen como objetivo identificar los mecanismos detrás del transporte anómalo de electrones en un tokamak compacto. Las simulaciones predicen que tal pérdida de energía se debe a la presencia de tres tipos distintos de turbulencia compleja:dos tipos con longitudes de onda relativamente largas y un tercero con longitudes de onda de una fracción del tamaño de las dos más grandes.

El impacto de uno de los dos tipos de onda larga, que se encuentra típicamente en el núcleo de los tokamaks de baja relación de aspecto, así como en el borde del plasma en los tokamaks convencionales, debe tenerse plenamente en cuenta al predecir el transporte con una relación de aspecto baja.

Desafío para simular

Sin embargo, El impacto combinado de los tres tipos de turbulencia es un desafío para simular, ya que los científicos normalmente estudian las diferentes longitudes de onda por separado. Los físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han realizado recientemente simulaciones a múltiples escalas y su trabajo destaca el tiempo significativo de supercomputadora que requieren tales simulaciones.

Los investigadores ahora deben probar simulaciones adicionales para lograr una concordancia más completa entre las predicciones de transporte y los experimentos en plasmas en tokamaks de baja relación de aspecto. En estas comparaciones se incluirán las mediciones de turbulencia tomadas por los coautores de la Universidad de Wisconsin-Madison de la Fusión nuclear papel que restringirá mejor las predicciones. Un acuerdo mejorado proporcionará la seguridad de las predicciones de pérdida de energía para las instalaciones presentes y futuras.