Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han avanzado en la comprensión de una barrera que puede evitar que las instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como tokamaks funcionen con alta eficiencia al hacer que se pierda calor vital.

Dirigido por el físico de PPPL Roscoe White, el equipo de investigación usó computadoras para simular un tipo de movimiento de plasma que puede golpear partículas altamente energéticas desde el núcleo hasta el borde, un fenómeno que podría ocurrir en ITER, la multinacional tokamak que se está construyendo en Francia para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía.

"Para que funcione cualquier dispositivo de fusión, debe asegurarse de que las partículas altamente energéticas que contiene estén muy bien confinadas dentro del núcleo de plasma, "dijo el físico de PPPL Vinícius Duarte, un miembro del equipo de investigación que informó los resultados en Física de Plasmas . "Si esas partículas se desplazan hasta el borde del plasma, no se puede sostener el plasma ardiendo en estado estable necesario para hacer realidad la electricidad impulsada por fusión ".

Duarte se refiere a un fenómeno llamado "chirrido" que ocurre cuando la frecuencia de las ondas de plasma que interactúan con partículas altamente energéticas cambia repentinamente, en última instancia, hace que la energía se escape del núcleo de plasma y produzca tonos que cambian rápidamente. Los nuevos hallazgos, que aclaran aspectos de cómo se forma el chirrido en un tokamak, podría ayudar a los investigadores a descubrir cómo frustrar los chirridos y mantener el calor vital. La prevención de los cambios repentinos de frecuencia también podría proteger las paredes del tokamak de la liberación repentina de ráfagas de energía concentradas y dañinas.

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

Los investigadores utilizaron simulaciones por computadora que mostraban vistas muy detalladas del movimiento de los conglomerados de partículas de plasma para revelar algunos de los mecanismos responsables del chirrido. dando esperanzas de que los científicos puedan encontrar formas de mejorar sus efectos. Los científicos utilizaron el código PPPL ORBIT para calcular cómo la posición y la velocidad de las partículas de plasma cambian con el tiempo en tres dimensiones. Las simulaciones mostraron que el chirrido comienza cuando las partículas que se mueven rápidamente en el núcleo interactúan con las ondas que ondulan a través del plasma y forman espontáneamente grupos que migran al borde del plasma. Los hallazgos confirman resultados anteriores basados ​​en configuraciones simplificadas de tokamak; también revelan dinámicas más ricas y complejas nunca antes vistas.

Esta interacción con las partículas plasmáticas hace que la frecuencia de las llamadas ondas plasmáticas de Alfvén suba y baje simultáneamente. catapultando los grupos hacia el borde de plasma y, a veces, hacia la pared. "Las herramientas desarrolladas en esta investigación han permitido vislumbrar lo complicado, dinámica autoorganizada de los chirridos en un tokamak, "Dijo Duarte.

Los científicos tuvieron que crear nuevas herramientas virtuales para observar el movimiento de las ondas simuladas con el detalle necesario. "Lo más difícil fue inventar los diagnósticos que mostraran claramente lo que estaba pasando, "dijo White." En cierto sentido, es como construir un microscopio que le permitirá ver lo que necesita ver ".

Los nuevos hallazgos continúan un esfuerzo de larga data de los miembros del Departamento de Teoría de PPPL que se enfoca en comprender el chirrido, especialmente dentro del Experimento-Actualización Esférico Nacional Tokamak de PPPL (NSTX-U). "Si lo entiendes, "dice White, "se pueden encontrar formas de operar instalaciones de fusión sin él".