Un desafío para crear energía de fusión en la Tierra es atrapar el gas cargado conocido como plasma que alimenta las reacciones de fusión dentro de un fuerte campo magnético y mantener el plasma lo más caliente y denso posible durante el mayor tiempo posible. Ahora, Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han obtenido nuevos conocimientos sobre un tipo común de hipo conocido como inestabilidad de diente de sierra que enfría el plasma caliente en el centro e interfiere con las reacciones de fusión. Estos hallazgos podrían ayudar a acercar la energía de fusión a la realidad.

"Los modelos convencionales explican la mayoría de los casos de colisiones de dientes de sierra, pero hay un subconjunto tenaz de observaciones que nunca hemos podido explicar, "dijo el físico de PPPL Christopher Smiet, autor principal de un artículo que informa los resultados en Fusión nuclear . "Explicar esos sucesos inusuales llenaría un vacío en la comprensión del fenómeno del diente de sierra que ha existido durante casi 40 años".

Fusion combina elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, y en el proceso genera cantidades masivas de energía en el sol y las estrellas. Los científicos buscan replicar la fusión en dispositivos en la Tierra para un suministro virtualmente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad.

Los investigadores han sabido durante décadas que la temperatura en el núcleo del plasma de fusión a menudo aumenta lentamente y luego puede descender repentinamente, algo no deseado ya que la temperatura más fría reduce la eficiencia. La teoría predominante es que el choque ocurre cuando una cantidad llamada factor de seguridad, que mide la estabilidad del plasma, cae a una medida cercana a 1. El factor de seguridad se relaciona con la cantidad de torsión en el campo magnético en las instalaciones de fusión de tokamak en forma de rosquilla.

Sin embargo, Algunas observaciones sugieren que el choque de temperatura ocurre cuando el factor de seguridad cae a alrededor de 0,7. Esto es bastante sorprendente y no puede explicarse con las teorías más aceptadas.

La nueva percepción viniendo no de la física del plasma sino de las matemáticas abstractas, muestra que cuando el factor de seguridad toma valores específicos, uno de los cuales está cerca de 0,7, el campo magnético en el núcleo de plasma puede cambiar a una configuración diferente llamada hiperbólica alterna. "En esta topología, el plasma se pierde en el núcleo, "Smiet dice." El plasma es expulsado del centro en direcciones opuestas. Esto conduce a una nueva forma de que la jaula magnética se agriete parcialmente, para que la temperatura en el núcleo baje repentinamente, y que el proceso se repita a medida que el campo magnético y la temperatura se recuperan lentamente ".

Los nuevos conocimientos sugieren una nueva dirección de investigación emocionante para mantener más calor dentro del plasma y producir reacciones de fusión de manera más eficiente. "Si no podemos explicar estas observaciones atípicas, entonces no entendemos completamente lo que sucede en estas máquinas, "Dijo Smiet." Contrarrestar la inestabilidad del diente de sierra puede llevar a producir más calor, plasmas más retorcidos y acercarnos a la fusión ".

Este modelo surgió de una investigación matemática puramente abstracta. Smiet encontró una forma matemática de describir el campo magnético en el centro de un tokamak. Todas las configuraciones posibles pueden entonces asociarse con una estructura algebraica llamada grupo de Lie. "Las matemáticas son realmente hermosas, ", Dice Smiet." Este grupo matemático le da una vista panorámica de todas las configuraciones magnéticas posibles y cuándo una configuración puede cambiar a otra ".

El nuevo modelo muestra que una de las ocasiones en que la configuración magnética de un tokamak puede cambiar es cuando el factor de seguridad cae exactamente a dos tercios, o 0,666. "Esto es inquietantemente cercano al valor de 0,7 que se ha observado en los experimentos, particularmente cuando se tiene en cuenta la incertidumbre experimental, ", Dijo Smiet." Una de las partes más hermosas de estos resultados, " él dijo, "es que vinieron simplemente de juguetear con las matemáticas puras".

Smiet espera verificar el nuevo modelo realizando experimentos en un tokamak. "Las matemáticas nos han mostrado qué buscar, " él dijo, "así que ahora deberíamos poder verlo".