El campo de la investigación de la fusión magnética tiene misterios de sobra. Cómo confinar el combustible de plasma turbulento en una cámara de vacío en forma de rosquilla, haciéndolo lo suficientemente caliente y denso para que se produzca la fusión, ha generado preguntas y respuestas durante décadas.

Como estudiante de posgrado bajo la dirección de la profesora Anne White del Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear, Pablo Rodríguez-Fernández Ph.D. '19 quedó intrigado por un misterio de investigación de la fusión que había permanecido sin resolver durante 20 años. Sus observaciones novedosas y el modelado posterior ayudaron a proporcionar la respuesta, lo que le valió el Premio Del Favero.

El foco de su tesis es la turbulencia del plasma, y cómo se transporta el calor desde el núcleo caliente hasta el borde del plasma en un tokamak. Los experimentos a lo largo de 20 años han demostrado que, en ciertas circunstancias, enfriar el borde del plasma da como resultado que el núcleo se caliente.

"Cuando enfrías el borde del plasma inyectando impurezas, lo que toda teoría e intuición estándar le diría es que un pulso frío se propaga en, de modo que eventualmente la temperatura central también bajará. Pero lo que observamos es que, en determinadas condiciones cuando bajamos la temperatura del borde, el núcleo se puso más caliente. Es una especie de calentamiento mediante enfriamiento ".

La observación contraria a la intuición no fue apoyada por ninguna teoría existente sobre el comportamiento del plasma.

"El hecho de que nuestra teoría no pueda explicar algo que sucede tan a menudo en los experimentos nos hace cuestionar esos modelos, ", Dice Rodríguez-Fernández." ¿Deberíamos confiar en ellos para predecir lo que sucederá en los dispositivos de fusión futuros? "

Estos modelos fueron la base para predecir el rendimiento en el tokamak Alcator C-Mod del Plasma Science and Fusion Center. que ya no está en funcionamiento. Actualmente se utilizan para ITER, la máquina de próxima generación que se está construyendo en Francia, y SPARC, el tokamak que PSFC persigue con Commonwealth Fusion Systems.

Para resolver el misterio Rodríguez-Fernández aprendió una codificación compleja que le permitiría ejecutar simulaciones de los experimentos de enfriamiento de bordes. Cuando enfrió manualmente el borde en sus primeras simulaciones, sin embargo, sus modelos no lograron reproducir el calentamiento del núcleo observado en los experimentos reales.

Estudiando cuidadosamente los datos de los experimentos de Alcator C-Mod, Rodríguez-Fernández se dio cuenta de que las impurezas inyectadas para enfriar el plasma perturban no solo la temperatura, pero cada parámetro, incluida la densidad.

"Estamos perturbando la densidad porque estamos introduciendo más partículas en el plasma. Estaba mirando los datos de Alcator C-Mod y estaba viendo todo el tiempo estos baches en la densidad. La gente los ha estado ignorando desde siempre".

Con nuevas perturbaciones de densidad para introducir en su simulación, pudo simular el calentamiento del núcleo que se había observado en tantos experimentos en todo el mundo durante más de dos décadas. Estos hallazgos se convirtieron en la base de un artículo en Cartas de revisión física ( PRL ).

Para fortalecer su tesis, Rodríguez-Fernández quería usar el mismo modelo para predecir la respuesta al enfriamiento de los bordes en un tokamak muy diferente:DIII-D en San Diego, California. En el momento, este tokamak no tenía la capacidad para ejecutar tal experimento, pero el equipo del MIT, dirigido por el científico investigador Nathan Howard, instaló un nuevo sistema de ablación láser para inyectar impurezas y pulsos fríos en la máquina. Los experimentos posteriores realizados en DIII-D mostraron que las predicciones eran precisas.

"Esto fue un apoyo adicional de que mi respuesta al misterio y mis simulaciones predictivas eran correctas, "dice Rodríguez-Fernández." El hecho de que podamos reproducir el calentamiento del núcleo mediante el enfriamiento de los bordes en una simulación, y por más de un tokamak, significa que podemos comprender la física detrás del fenómeno. Y lo que es más importante, nos da la confianza de que los modelos que tenemos para C-Mod y SPARC no son incorrectos ".

Rodríguez-Fernández destaca el excelente ambiente colegiado en el PSFC, así como una sólida red de colaboración externa. Sus colaboradores incluyen a Gary Staebler en General Atomics, hogar de DIII-D, autor del modelo de transporte de fluido atrapado Gyro-Landau utilizado para sus simulaciones; Los investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton Brian Grierson y Xingqiu Yuan, que son expertos en una herramienta de modelado llamada TRANSP que fue invaluable para su trabajo; y Clemente Angioni en el Instituto Max-Planck de Física del Plasma en Garching, Alemania, cuyos experimentos en el tokamak ASDEX Upgrade apoyaron los hallazgos del artículo de PRL.

Ahora un postdoctorado en el PSFC, Rodríguez-Fernández dedica la mitad de su tiempo a SPARC y la otra mitad a DIII-D y ASDEX Upgrade. Con todos estos proyectos, él está usando las simulaciones de su Ph.D. tesis para desarrollar técnicas para predecir y optimizar el rendimiento de tokamak.

El postdoctorado admite que el momento de su tesis no podría haber sido mejor, justo cuando el proyecto SPARC estaba aumentando. Rápidamente se unió al equipo que está diseñando el dispositivo y trabajando sobre la base de la física.

Como parte de la ceremonia del 5 de diciembre donde Rodríguez Fernández recibirá el Premio de Tesis Del Favero, discutirá cómo su investigación de tesis está conectada con su trabajo actual sobre la predicción del rendimiento SPARC. Establecido en 2014 con un generoso obsequio del alumno James Del Favero SM '84, el premio se otorga anualmente a un Ph.D. Licenciado en NSE cuya tesis se considera que ha realizado el avance más innovador en el campo de la ciencia y la ingeniería nucleares.

"Es muy emocionante, ", dice." El proyecto SPARC realmente me impulsa. Veo un futuro aquí para mi y para la fusión ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.