El modelo de turbulencia llamado Experimento Numérico Electromagnético Gyrokinetic (GENE), desarrollado en el Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP) en Garching, Alemania, ha demostrado ser muy útil para la descripción teórica de turbulencias en el plasma de dispositivos de fusión tipo tokamak. Extendido para la geometría más compleja de dispositivos tipo stellarator, Las simulaciones por computadora con GENE ahora indican un nuevo método para reducir la turbulencia del plasma en los plasmas estelares. Esto podría aumentar significativamente la eficiencia de una futura planta de energía de fusión.

Para los investigadores de fusión del IPP, que quieran desarrollar una central eléctrica basada en el modelo del sol, la formación de turbulencias en su combustible, un plasma de hidrógeno, es un tema central de investigación. Los pequeños remolinos transportan partículas y calor fuera del centro de plasma caliente y, por lo tanto, reducen el aislamiento térmico del plasma confinado magnéticamente. Debido a que el tamaño y, por lo tanto, el precio de la electricidad de una futura planta de energía de fusión depende de ello, uno de los objetivos más importantes es comprender, predecir e influir en este "transporte turbulento".

Dado que la descripción computacional exacta de la turbulencia del plasma requeriría la solución de sistemas de ecuaciones altamente complejos y la ejecución de innumerables pasos computacionales, el proceso de desarrollo del código tiene como objetivo lograr simplificaciones razonables. El código GENE desarrollado en IPP se basa en un conjunto de las llamadas ecuaciones girocinéticas. Ignoran todos los fenómenos del plasma que no juegan un papel importante en el transporte turbulento. Aunque el esfuerzo computacional se puede reducir en muchos órdenes de magnitud de esta manera, Siempre se han necesitado las supercomputadoras más rápidas y potentes del mundo para desarrollar aún más el código. Mientras tanto, GENE es capaz de describir la formación y propagación de pequeños remolinos de plasma de baja frecuencia en el pozo interior del plasma y de reproducir y explicar los resultados experimentales, pero originalmente solo para los de construcción simple, porque los sistemas de fusión axisimétricos del tipo tokamak.

Por ejemplo, Los cálculos con GENE mostraron que los iones rápidos pueden reducir en gran medida el transporte turbulento en los plasmas tokamak. Los experimentos en el tokamak ASDEX Upgrade en Garching confirmaron este resultado. Los iones rápidos requeridos fueron proporcionados por calentamiento de plasma usando ondas de radio de frecuencia ciclotrónica de iones.

Un código tokamak para stellarators

En estelarizadores, esta supresión de turbulencias por iones rápidos no se había observado experimentalmente hasta ahora. Sin embargo, los últimos cálculos con GENE ahora sugieren que este efecto también debería existir en los plasmas estelaradores:en el estelarador Wendelstein 7-X en IPP en Greifswald, teóricamente podría reducir la turbulencia a más de la mitad. Como los científicos del IPP, Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro y Frank Jenko se muestran en la revista Cartas de revisión física , la temperatura óptima de los iones depende en gran medida de la forma del campo magnético.

Profesor Frank Jenko, jefe del departamento de teoría de Tokamak en IPP en Garching, dice, "Si este resultado calculado se confirma en experimentos futuros con Wendelstein 7-X en Greifswald, esto podría abrir un camino hacia plasmas interesantes de alto rendimiento ".

Para usar GENE para el cálculo de turbulencias en los plasmas de forma más complicados de esteladores, Fueron necesarios importantes ajustes en el código. Sin la simetría axial de los tokamaks, hay que hacer frente a una geometría mucho más compleja para los esteladores.

Para el profesor Per Helander, jefe del departamento de teoría de Stellarator en IPP en Greifswald, las simulaciones de stellarator realizadas con GENE son "físicas muy interesantes". Espera que los resultados se puedan verificar en el estelarizador Wendelstein 7-X en Greifswald. "Se puede investigar si los valores plasmáticos en Wendelstein 7-X son adecuados para tales experimentos cuando, en el próximo período experimental, el sistema de calentamiento por ondas de radio se pondrá en funcionamiento además del calentamiento actual por microondas y partículas, "dice el profesor Robert Wolf, cuyo departamento se encarga del calentamiento por plasma.

GENE se convierte en GENE-3-D

Según Frank Jenko, fue otro "enorme paso" para hacer que GENE no solo sea aproximadamente, pero completamente apto para el complejo, forma tridimensional de estelaradores. Después de casi cinco años de trabajo de desarrollo, el código GENE-3-D, ahora presentado en el Revista de física computacional por Maurice Maurer y coautores, proporciona un "cálculo de turbulencia rápido y realista también para esteladores, "dice Frank Jenko. A diferencia de otros códigos de turbulencia estelar, GENE-3-D describe la dinámica completa del sistema, es decir, el movimiento turbulento de los iones y también de los electrones sobre todo el volumen interno del plasma, incluyendo las fluctuaciones resultantes del campo magnético.