Investigadores del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) descubrieron que la actualización de un modelo matemático para incluir una propiedad física conocida como resistividad podría conducir al diseño mejorado de las instalaciones de fusión en forma de dona conocidas como tokamaks.

"La resistividad es la propiedad de cualquier sustancia que inhibe el flujo de electricidad", dijo el físico de PPPL Nathaniel Ferraro, uno de los investigadores colaboradores. "Es como la viscosidad de un fluido, que inhibe las cosas que se mueven a través de él. Por ejemplo, una piedra se moverá más lentamente a través de la melaza que del agua, y más lentamente a través del agua que del aire".

Los científicos han descubierto una nueva forma en que la resistividad puede causar inestabilidades en el borde del plasma, donde las temperaturas y las presiones aumentan considerablemente. Al incorporar la resistividad en modelos que predicen el comportamiento del plasma, una sopa de electrones y núcleos atómicos que constituye el 99 % del universo visible, los científicos pueden diseñar sistemas para futuras instalaciones de fusión que hagan que el plasma sea más estable.

"Queremos usar este conocimiento para descubrir cómo desarrollar un modelo que nos permita conectar ciertas características del plasma y predecir si el plasma será estable antes de que hagamos un experimento", dijo Andreas Kleiner, un físico de PPPL que fue el autor principal de un artículo que informa los resultados en Fusión nuclear . "Básicamente, en esta investigación, vimos que la resistividad importa y nuestros modelos deberían incluirla", dijo.

La fusión, el poder que impulsa el sol y las estrellas, combina elementos ligeros en forma de plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, y genera cantidades masivas de energía. Los científicos buscan aprovechar la fusión en la Tierra para obtener un suministro de energía virtualmente inagotable para generar electricidad.

Los científicos quieren que el plasma sea estable porque las inestabilidades pueden provocar erupciones de plasma conocidas como modos localizados en el borde (ELM) que pueden dañar los componentes internos del tokamak con el tiempo, lo que requiere que esos componentes se reemplacen con mayor frecuencia. Sin embargo, los futuros reactores de fusión tendrán que funcionar sin parar para reparaciones durante meses.

"Necesitamos tener confianza en que el plasma en estas futuras instalaciones será estable sin tener que construir prototipos a gran escala, lo cual es prohibitivamente costoso y requiere mucho tiempo", dijo Ferraro. "En el caso de los modos localizados en el borde y algunos otros fenómenos, no estabilizar el plasma podría provocar daños o reducir la vida útil de los componentes en estas instalaciones, por lo que es muy importante hacerlo bien".

Los físicos usan un modelo de computadora conocido como EPED para predecir el comportamiento del plasma en tokamaks convencionales, pero las predicciones producidas por el código para una variedad de máquinas de plasma conocidas como tokamaks esféricos no siempre son precisas. Los físicos están estudiando los tokamaks esféricos, instalaciones compactas como el National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) en PPPL que se asemejan a manzanas sin corazón, como un posible diseño para una planta piloto de fusión.

Usando las computadoras de alta potencia en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Berkeley, California, Kleiner y el equipo intentaron agregar resistividad a un modelo de plasma y encontraron que las predicciones comenzaron a coincidir. observaciones.

"Andreas examinó los datos de varias descargas de plasma anteriores y descubrió que los efectos resistivos eran muy importantes", dijo Rajesh Maingi, jefe del Departamento de Ciencias Experimentales Tokamak de PPPL. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."

Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Explora más

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