El calor es transportado por ondas electromagnéticas, que simultáneamente ralentizan el haz de partículas de alta velocidad (línea roja) y calientan las partículas de plasma (línea verde). Se observa una distorsión de la distribución de velocidades debido a la aceleración de las partículas como resultado de las ondas electromagnéticas. Crédito:Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión
En la generación de energía de fusión, es esencial que las partículas de alta energía generadas por una reacción de fusión en plasma caliente lo calienten para sostener más reacciones de fusión. La clave de este autocalentamiento del plasma es si puede ser calentado por ondas creadas por las partículas de alta energía.
Un grupo de investigación dirigido por el profesor Katsumi Ida, los profesores asistentes Tatsuya Kobayashi y Mikiro Yoshinuma del Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión y el profesor Yuto Kato de la Universidad de Tohoku, ha medido la variación temporal del perfil de velocidad del plasma en el dispositivo helicoidal grande (LHD) en el Instituto Nacional para la Ciencia de la Fusión y descubrió que las ondas electromagnéticas producidas por partículas de alta energía transportan calor a través de un proceso llamado amortiguamiento de Landau. Esta es la primera observación en el mundo de este proceso. Se publicó un artículo que resume los resultados de esta investigación en Communications Physics el 28 de septiembre.
Hasta ahora no ha habido ningún método para medir directamente el proceso de calentamiento del plasma provocado por las ondas electromagnéticas generadas en el interior del plasma, por lo que no se sabe si este proceso existe realmente. Para capturarlo, el profesor Katsumi Ida y su grupo de investigación han trabajado en el desarrollo de un nuevo sistema de medición.
Para medir directamente el proceso de calentamiento, es necesario determinar la variación temporal de la distribución de velocidades, que indica qué partículas de velocidad están presentes y en qué proporción. Con este fin, inyectaron átomos de alta velocidad en el plasma y utilizaron un método para medir la distribución de velocidad de las partículas de plasma a alta velocidad a partir de la distribución de longitud de onda de la luz emitida por el plasma (espectroscopia de intercambio de carga de alta velocidad). El profesor Ida y sus colegas aceptaron el desafío de la medición a ultra alta velocidad, que se había considerado difícil, y lograron medir la variación temporal de la distribución de la velocidad de las partículas de plasma a una velocidad ultra alta de 10 kHz (10 000 veces por segundo).
En el LHD, se están realizando experimentos para investigar el autocalentamiento del plasma, utilizando un haz de partículas de alta velocidad, que simula partículas de alta energía de reacciones de fusión nuclear. En este experimento para simular el autocalentamiento, se utilizó un sistema de medición recientemente desarrollado para medir en detalle la variación temporal de la distribución de velocidad de las partículas de plasma. Como resultado, se descubrió por primera vez en el mundo que el plasma se calienta debido a la desaceleración del haz de partículas de alta velocidad y la distorsión del perfil de velocidad de las partículas de plasma causada por la generación de ondas electromagnéticas en el interior. el plasma
Se encontró que la razón de esta distorsión del perfil de velocidad es que la energía del haz de partículas de alta velocidad se transfirió a la onda electromagnética a través de un proceso llamado amortiguamiento de Landau, y la energía de la onda electromagnética se transfirió a las partículas de plasma. En otras palabras, observaron que las ondas electromagnéticas transportaban la energía del haz de partículas de alta velocidad al plasma y lo calentaban.
El profesor Ida dijo:"Para el autocalentamiento del plasma en la generación de energía de fusión, no es suficiente que las partículas de alta energía choquen con las del plasma y las calienten, por lo que también es necesario el calentamiento mediante otros procesos. Este resultado, que muestra que la energía electromagnética las ondas generadas dentro del plasma pueden calentarlo, proporciona un conocimiento importante para la investigación de la fusión. Además, contribuirá al estudio de la magnetosfera de la Tierra, donde la aceleración de partículas ocurre por un proceso similar, y promoverá futuras investigaciones interdisciplinarias". Las simulaciones demuestran el calentamiento de iones por oscilaciones de plasma para la energía de fusión
