En un plasma en llamas, mantener el confinamiento de los iones energéticos producidos por la fusión es esencial para producir energía. Estos plasmas de fusión albergan una amplia gama de ondas electromagnéticas que pueden expulsar iones energéticos del plasma.

Esto reduce el calentamiento del plasma debido a los productos de la reacción de fusión y finaliza el estado de combustión del plasma. Mediciones recientes en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D proporcionan las primeras observaciones directas de iones energéticos que se mueven a través del espacio y energía en un tokamak.

Los investigadores combinaron estas mediciones con modelos informáticos avanzados de ondas electromagnéticas y cómo interactúan con iones energéticos. Los resultados proporcionan una mejor comprensión de la interacción entre las ondas de plasma y los iones energéticos en los plasmas de fusión.

La física del plasma y la investigación sobre la fusión están pasando de las instalaciones experimentales a los diseños de centrales eléctricas de demostración. Para que esta medida sea un éxito, los investigadores necesitan simulaciones precisas y otras herramientas que predigan cómo funcionarán los diseños de centrales eléctricas. La mayoría de las instalaciones actuales no producen plasmas ardientes.

Sin embargo, los investigadores comprenden gran parte de la física relevante y están desarrollando simulaciones para reproducir el comportamiento experimental observado. La investigación actual realizó nuevas mediciones del flujo de iones energéticos en el tokamak DIII-D. Esto acelerará el desarrollo de modelos que tengan en cuenta todas las dinámicas relevantes de interacción onda-ion. Esta mejor comprensión también permite la aplicación de la ingeniería del espacio de fases.

Los investigadores pueden utilizar este proceso para diseñar nuevos escenarios de plasma de fusión basados ​​en interacciones ideales previstas entre ondas e iones. En particular, estas interacciones también pueden afectar a los satélites, por lo que esta investigación puede ayudar a mejorar su fiabilidad.

Investigadores de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación usuaria del Departamento de Energía, han utilizado las primeras mediciones de un nuevo sistema de diagnóstico, el Analizador de Partículas Neutras por Imágenes (INPA), para observar el flujo de iones energéticos en un tokamak. P>

Un esfuerzo de varios años para conceptualizar, diseñar y construir el INPA ha proporcionado ahora la primera capacidad para observar este comportamiento. Después de ser inyectados en el tokamak mediante rayos neutros, los iones energéticos interactúan con ondas de plasma electromagnéticas y fluyen en energía y posición a través del tokamak. Las simulaciones reproducen el comportamiento observado, demostrando así la precisión de los modelos de primeros principios al describir la física subyacente.

Una mejor comprensión de estas interacciones onda-partícula es relevante para el diseño de plantas de energía de fusión y para comprender el comportamiento de los plasmas observados en el espacio exterior.

El INPA mide la energía de los iones energéticos inyectados con un haz neutro, que tienen energías mayores que la del plasma de fondo, a lo largo del tiempo y la posición espacial desde el núcleo del plasma caliente hasta el borde del plasma frío, donde los iones pueden perderse.

Junto con simulaciones informáticas avanzadas de alto rendimiento que modelan tanto el espectro de ondas electromagnéticas como las interacciones con iones energéticos, estos experimentos proporcionan la comprensión más detallada de la interacción entre las ondas de plasma y los iones energéticos en los plasmas de fusión.

Esta mejor comprensión también permite a los investigadores aplicar la ingeniería del espacio de fases, un proceso en el que diseñan nuevos escenarios de plasma de fusión basados ​​en interacciones ideales predichas entre ondas e iones. Este tipo de interacciones ocurren en el espacio exterior.

Por ejemplo, las ondas de ciclotrón de iones electromagnéticos (EMIC) hacen que los electrones fluyan a través del espacio y la energía. En algunos casos, los electrones se han acelerado de tal manera que provocan fallos de funcionamiento en los satélites. Una mejor comprensión de los procesos de interacción resonante onda-partícula a través de la investigación del plasma de fusión contribuye a las simulaciones del plasma del espacio exterior, lo que podría mejorar la confiabilidad de futuras misiones satelitales.

Los hallazgos se publican en la revista Nuclear Fusion. .

Más información: X.D. Du et al, Visualización del flujo rápido de iones en el espacio de fases en plasmas muy por debajo, cerca y muy por encima del umbral de estabilidad del modo propio de Alfvén en tokamak, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5

J. González-Martin et al, Modelado del flujo de iones rápidos inducido por el modo propio de Alfvén medido por un analizador de partículas neutras por imágenes, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.