Así como hay olas en el océano, las olas también pueden ocurrir en un gas cargado eléctricamente llamado plasma, formado por electrones e iones. En el océano, la gente surfea montando sus tablas casi a la misma velocidad que las olas. Esta condición coincidente, llamada resonancia, permite que la ola empuje eficientemente al surfista mediante el intercambio de energía.

En los plasmas, los surfistas pueden ser iones muy rápidos, lo que puede ocurrir en dispositivos de fusión como resultado de reacciones de fusión u otros procesos utilizados para calentar el plasma. Estos iones rápidos a menudo hacen lo contrario que los surfistas en el océano:dan energía a las olas, lo que hace que aumenten de tamaño. Mientras las partículas resonantes intercambian energía con las ondas, también son empujadas por otras partículas en el plasma mediante colisiones aleatorias.

El tipo de estas colisiones y la frecuencia con la que ocurren determinan el tamaño de las ondas y el movimiento de las partículas. Si las olas se vuelven demasiado grandes o numerosas, pueden expulsar las partículas del surf del dispositivo, lo que representa un peligro potencial para las paredes y también reduce la cantidad de energía de fusión producida.

El plasma en los reactores de fusión debe calentarse constantemente para mantener las temperaturas necesarias para producir energía. Sin embargo, los iones rápidos que calientan el plasma también pueden resonar con las ondas del plasma. Esto puede hacer que esas ondas crezcan y potencialmente expulsen los iones rápidos del dispositivo.

Los investigadores necesitan comprender las interacciones resonantes entre los iones rápidos y las ondas de plasma para predecir y mitigar cualquier efecto adverso. Un estudio, ahora publicado en Physical Review Letters , combinó cálculos matemáticos con simulaciones por computadora para revelar cómo diferentes tipos de colisiones compiten para determinar la forma en que se transfiere la energía entre las partículas resonantes y las ondas de plasma.

Los investigadores están utilizando estos nuevos conocimientos para formular modelos sobre cómo mantener los plasmas lo suficientemente calientes como para sostener reacciones de fusión. El problema del plasma de onda-partícula resonante también es relevante para algunas interacciones gravitacionales en las galaxias. Esto significa que los métodos de este proyecto pueden aplicarse a la investigación astrofísica, incluido el trabajo sobre la materia oscura.

En los experimentos de fusión, los iones rápidos mantienen el plasma lo suficientemente caliente como para fusionarlo al ceder su energía al plasma de fondo mediante colisiones con electrones. Se producen dos tipos distintos de colisiones:dispersión difusiva y arrastre convectivo. Las colisiones difusivas son del mismo tipo que provocan la dispersión de bolas de billar en una mesa de billar.

Mientras tanto, las colisiones por arrastre son responsables de la fuerza que se siente en la mano al sacarla por la ventana de un automóvil en movimiento. Dependiendo de la velocidad de los iones rápidos y de la temperatura del plasma, cada tipo de colisión compite para ejercer una mayor influencia en el comportamiento de los iones rápidos. Específicamente, una mayor velocidad de los iones rápidos hace que la resistencia sea más importante, mientras que una temperatura más alta del plasma favorece la difusión.

Al mismo tiempo que los iones rápidos calientan el plasma de fondo a través de colisiones, también pueden interactuar de forma resonante con ondas de plasma que actúan para minar su energía, enfriando potencialmente el plasma. Sin colisiones, solo se produce una resonancia entre los iones rápidos y las ondas cuando la velocidad de la partícula coincide exactamente con la velocidad de la onda.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las colisiones difusivas actúan para "difuminar" la resonancia, permitiendo que las partículas intercambien energía de manera eficiente con la onda incluso si su velocidad es un poco más rápida o más lenta que la de la onda. El nuevo descubrimiento de esta investigación es que cuando hay resistencia, este tipo de colisión cambia la velocidad a la que se produce la resonancia, lo que implica que la energía se intercambia de manera más eficiente cuando hay una pequeña diferencia entre la velocidad del ion rápido y la del plasma. olas.

En este estudio, los investigadores caracterizaron la fuerza de la interacción onda-partícula con un objeto matemático llamado función de resonancia, que depende de la diferencia entre las velocidades de la onda y la partícula. Cuando las colisiones de arrastre ocurren con mucha más frecuencia que las de difusión, sucede algo aún más extraño:hay velocidades completamente nuevas a las que se hace posible una transferencia eficiente de energía.

Este fenómeno crea efectivamente nuevas resonancias que no existían en absoluto sin la resistencia, representadas por nuevos picos que aparecen en la función de resonancia y amplían el rango de la interacción resonante. La función de resonancia, derivada totalmente teóricamente, determina qué tan grandes se volverán las ondas al alimentarse de la energía libre de los iones rápidos resonantes, y también cómo esas partículas serán impulsadas por la onda.

Las simulaciones por computadora no lineales encontraron una excelente concordancia con las predicciones teóricas, confirmando la validez de la función de resonancia derivada para cualquier combinación de los dos tipos de colisiones y avanzando en nuestra comprensión fundamental de cómo las colisiones influyen en las interacciones onda-partícula resonantes en los plasmas. Una vez verificada la teoría básica, ahora se puede aplicar con confianza para mejorar los códigos utilizados para simular la rapidez con la que se comportan los iones en dispositivos de fusión, un paso crucial en el camino hacia el desarrollo de plantas de energía de fusión comerciales.

Más información: V. N. Duarte et al, Cambio y división de líneas de resonancia debido a la fricción dinámica en plasmas, Cartas de revisión física (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101

Información de la revista: Cartas de revisión física

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.