La paradoja sorprendió a los científicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) hace más de una docena de años. Cuanto más calor emitían en un tokamak esférico, una instalación magnética diseñada para reproducir la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas, menos aumentaba la temperatura central.

Gran misterio

"Normalmente, cuanto más potencia de haz pones, mayor es la temperatura", dijo Stephen Jardin, jefe del grupo de teoría y ciencia computacional que realizó los cálculos y autor principal de una explicación propuesta publicada en Physical Review Letters . "Así que esto era un gran misterio:¿Por qué sucede esto?"

Resolver el misterio podría contribuir a los esfuerzos en todo el mundo para crear y controlar la fusión en la Tierra para producir una fuente prácticamente inagotable de energía segura, limpia y libre de carbono para generar electricidad mientras se lucha contra el cambio climático. Fusion combina elementos ligeros en forma de plasma para liberar cantidades masivas de energía.

A través de simulaciones por computadora de alta resolución recientes, Jardin y sus colegas demostraron lo que puede hacer que la temperatura permanezca plana o incluso disminuya en el centro del plasma que alimenta las reacciones de fusión, incluso cuando se emite más potencia de calentamiento. Aumentar la potencia también aumenta la presión en el plasma hasta el punto en que el plasma se vuelve inestable y el movimiento del plasma aplana la temperatura, encontraron.

"Estas simulaciones probablemente explican una observación experimental realizada hace más de 12 años", dijo Jardin. "Los resultados indican que al diseñar y operar experimentos con tokamak esféricos, se debe tener cuidado para garantizar que la presión del plasma no exceda ciertos valores críticos en ciertos lugares de la [instalación]", dijo. "Y ahora tenemos una forma de cuantificar estos valores a través de simulaciones por computadora".

Los hallazgos resaltan un obstáculo clave que los investigadores deben evitar cuando buscan reproducir reacciones de fusión en tokamaks esféricos:dispositivos con forma más similar a manzanas sin corazón que tokamaks convencionales con forma de rosquilla más utilizados. Los dispositivos esféricos producen campos magnéticos rentables y son candidatos para convertirse en modelos para una planta piloto de energía de fusión.

Los investigadores simularon experimentos anteriores en el National Spherical Torus Experiment (NSTX), la principal instalación de fusión en PPPL que desde entonces ha sido mejorada, y donde se había observado el desconcertante comportamiento del plasma. Los resultados fueron en gran medida paralelos a los encontrados en los experimentos NSTX.

"A través de NSTX obtuvimos los datos y a través de un programa DOE llamado SciDAC [Descubrimiento científico a través de computación avanzada] desarrollamos el código de computadora que usamos", dijo Jardin.

El físico y coautor Nate Ferraro de PPPL dijo:"El programa SciDAC fue absolutamente fundamental en el desarrollo del código".

Mecanismo descubierto

El mecanismo descubierto provocó una mayor presión en ciertos lugares para romper las superficies magnéticas anidadas formadas por los campos magnéticos que envuelven el tokamak para confinar el plasma. La ruptura aplanó la temperatura de los electrones dentro del plasma y, por lo tanto, evitó que la temperatura en el centro del gas caliente y cargado subiera a niveles relevantes para la fusión.

"Entonces, lo que ahora pensamos es que al aumentar la potencia del haz inyectado, también aumenta la presión del plasma, y ​​llega a un cierto punto en el que la presión comienza a destruir las superficies magnéticas cerca del centro del tokamak", dijo Jardin, " y por eso la temperatura deja de subir".

Este mecanismo podría ser general en tokamaks esféricos, dijo, y la posible destrucción de superficies debe tenerse en cuenta cuando se planifiquen futuros tokamaks esféricos.

Jardin planea continuar investigando el proceso para comprender mejor la destrucción de las superficies magnéticas y por qué parece más probable en los tokamaks esféricos que en los convencionales. También ha sido invitado a presentar sus hallazgos en la reunión anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física (APS-DPP) en octubre, donde se podría reclutar a científicos principiantes para abordar el tema y desarrollar los detalles de la mecanismo propuesto. + Explora más

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