Desbloqueando la danza zigzagueante del calor Las partículas de plasma cargadas que alimentan las reacciones de fusión pueden ayudar a aprovechar en la Tierra la energía de fusión que alimenta el sol y las estrellas. En el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), un experimentalista y dos teóricos han desarrollado un nuevo algoritmo, o un conjunto de reglas informáticas, para rastrear partículas volátiles que podrían adelantar la llegada de seguros, fuente de energía limpia y prácticamente ilimitada.

Interacción cercana

"Esta es una historia de éxito sobre la interacción cercana entre teóricos y experimentadores que muestra lo que se puede hacer, "dijo Hong Qin, físico teórico principal en PPPL. Él y Yichen Fu, un estudiante de posgrado teórico a quien asesora, colaboró ​​en el algoritmo con Laura Xin Zhang, un estudiante de posgrado experimental y autor principal de un artículo que informa la investigación en la revista Revisión física E . Qin y Fu fueron coautores del artículo.

La fusión alimenta el sol y las estrellas mediante la combinación de elementos ligeros en forma de plasma, el estado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos. o iones, que constituye el 99 por ciento del universo visible, para liberar cantidades masivas de energía. Científicos de todo el mundo buscan producir fusión controlada en la Tierra como fuente ideal para generar electricidad.

El nuevo algoritmo PPPL ayuda a rastrear partículas cargadas rápidamente en el plasma. Las partículas podrían, por ejemplo, provienen de la inyección de haces neutros de alta energía que se descomponen, o "ionizados" en el plasma y chocan con las principales partículas de plasma. "Nos preocupamos por esto porque queremos entender cómo estas partículas rápidas influyen en el plasma, "Dijo Zhang.

Los rayos neutrales juegan muchos roles cuando se descomponen en partículas de plasma rápidas. "Los usamos para hacer todo tipo de cosas, ", Dijo Zhang." Pueden calentar e impulsar la corriente en el plasma. A veces crean inestabilidades del plasma y, a veces, las reducen. Nuestras simulaciones son parte de la comprensión de cómo se comportan estas partículas ".

Primero un problema

Cuando Zhang intentó por primera vez simular las partículas rápidas, se encontró con un problema. Ella usó un algoritmo clásico que no pudo conservar energía durante lo que se llama el proceso de dispersión del ángulo de inclinación de las partículas que chocan. Tal dispersión se observa a menudo en el plasma de fusión cuando los electrones chocan con iones que son aproximadamente 2, 000 veces más pesado en colisiones similares a pelotas de ping-pong que rebotan en pelotas de baloncesto.

Para Zhang, el problema "era similar a intentar simular la órbita de un planeta, ", recordó. Así como la energía de una órbita no cambia, "quieres un algoritmo que conserve la energía de las partículas de plasma dispersas, " ella dijo.

Conservar esa energía es fundamental, dijo Qin, a quien Zhang consultó. "Si un algoritmo que simula el proceso no conserva la energía de las partículas, no se puede confiar en la simulación, ", dijo. Así ideó un método alternativo, un algoritmo explícitamente solucionable que conserva la energía de las partículas, que Zhang pasó a probar.

"Soy un experimentalista de corazón y mi enfoque de los problemas es intentarlo, ", dijo." Así que ejecuté un montón de simulaciones e hice todo tipo de experimentos numéricos que demostraron que el algoritmo funcionaba mejor que el algoritmo clásico que no conservaba energía ". el método alternativo no pudo probarse teóricamente.

Qin luego le entregó el problema al estudiante graduado Fu, quienes reunieron una inteligente prueba matemática de la corrección del algoritmo que podría convertirse en un paso hacia nuevas soluciones.

"El algoritmo que desarrollamos es para un modelo simplificado, "Dijo Zhang." Elimina varios términos que será importante incluir. Pero estoy avanzando y con el objetivo de aplicar el algoritmo que hemos desarrollado a los nuevos problemas de la física del plasma ".