Un desafío clave para los científicos que se esfuerzan por producir en la Tierra la energía de fusión que alimenta el sol y las estrellas es evitar lo que se llaman electrones fugitivos, partículas desatadas en experimentos de fusión interrumpidos que pueden perforar tokamaks, las máquinas en forma de rosquilla que albergan los experimentos. Los científicos dirigidos por investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han utilizado un diagnóstico novedoso con capacidades de amplio alcance para detectar el nacimiento. y las fases de crecimiento lineal y exponencial de los electrones fugitivos de alta energía, lo que puede permitir a los investigadores determinar cómo prevenir el daño de los electrones.

Energía inicial

"Necesitamos ver estos electrones en su energía inicial en lugar de cuando hayan crecido por completo y se muevan a una velocidad cercana a la de la luz". "dijo el físico de PPPL Luis Delgado-Aparicio, quien dirigió el experimento que detectó los primeros fugitivos en el Madison Symmetric Torus (MST) en la Universidad de Wisconsin-Madison. "El siguiente paso es optimizar las formas de detenerlos antes de que la población de electrones fuera de control pueda convertirse en una avalancha, "dijo Delgado-Aparicio, autor principal de un primer artículo que detalla los hallazgos en el Revisión de instrumentos científicos .

Las reacciones de fusión producen grandes cantidades de energía al combinar elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos que constituye el 99 por ciento del universo visible. Los científicos de todo el mundo buscan producir y controlar la fusión en la Tierra para obtener un suministro prácticamente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad.

PPPL colaboró ​​con la Universidad de Wisconsin para instalar la cámara estenopeica multienergía en MST, que sirvió como banco de pruebas para las capacidades de la cámara. El diagnóstico actualiza y rediseña una cámara que PPPL había instalado previamente en el tokamak Alcator C-Mod ahora cerrado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), y es único en su capacidad para registrar no solo las propiedades del plasma en el tiempo y el espacio, sino también su distribución de energía.

Esa destreza permite a los investigadores caracterizar tanto la evolución del plasma supercaliente como el nacimiento de electrones fuera de control. que comienzan con poca energía. "Si entendemos el contenido de energía, puedo decirles cuál es la densidad y la temperatura del plasma de fondo, así como la cantidad de electrones fuera de control, "Dijo Delgado Aparicio." Entonces, agregando esta nueva variable de energía podemos encontrar varias cantidades de plasma y usarlo como diagnóstico ".

Cámara novedosa

El uso de la nueva cámara hace avanzar la tecnología. "Esta ha sido sin duda una gran colaboración científica, "dijo el físico Carey Forest, un profesor de la Universidad de Wisconsin que supervisa el MST, que describe como "una máquina muy robusta que puede producir electrones descontrolados que no ponen en peligro su funcionamiento".

Como resultado, Forest dijo, "La capacidad de Luis para diagnosticar no solo el lugar de nacimiento y la fase de crecimiento lineal inicial de los electrones a medida que se aceleran, y luego seguir cómo se transportan de afuera hacia adentro, es fascinante. Comparar su diagnóstico con el modelado será el siguiente paso y, por supuesto, una mejor comprensión puede conducir a nuevas técnicas de mitigación en el futuro ".

Delgado-Aparicio ya mira hacia el futuro. "Quiero aprovechar toda la experiencia que hemos desarrollado en MST y aplicarla a un gran tokamak, ", dijo. Dos investigadores postdoctorales que supervisa Delgado-Aparicio pueden basarse en los hallazgos del MST, pero en WEST, el entorno de tungsteno (W) en Tokamak en estado estacionario operado por la Comisión de Energía Atómica y Energías Alternativas (CEA) francesa en Cadarache, Francia.

Gama de usos

"Lo que quiero hacer con mis posdoctorados es usar cámaras para muchas cosas diferentes, incluido el transporte de partículas, confinamiento, calefacción por radiofrecuencia y también este nuevo giro, el diagnóstico y estudio de electrones fugitivos, ", Dijo Delgado-Aparicio." Básicamente nos gustaría averiguar cómo dar a los electrones un aterrizaje suave, y esa podría ser una forma muy segura de lidiar con ellos ".

Dos docenas de investigadores participaron en la investigación con Delgado-Aparicio y fueron coautores del artículo sobre este trabajo. Se incluyeron siete físicos de PPPL y ocho de la Universidad de Wisconsin. A ellos se unieron un total de tres investigadores de la Universidad de Tokio, La Universidad de Kyushi y los Institutos Nacionales de Ciencia y Tecnología Cuántica y Radiológica de Japón; cinco miembros de Dectris, un fabricante suizo de detectores; y un físico de Edgewood College en Madison, Wisconsin.