Los científicos ofrecen una solución al desconcertante problema de la fusión

La paradoja desconcertó 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 el pulmón esférico, una instalación magnética diseñada para reproducir la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas, menos aumentaba la temperatura central.

un gran misterio

«Por lo general, cuanto más poder de haz pones, mayor es la temperatura», dijo Stephen Jardine, jefe del grupo de teoría y ciencia computacional que realizó los cálculos y autor principal de la explicación propuesta, publicada en la revista. Cartas de revisión física. «Así que esto era un gran misterio. ¿Por qué está pasando esto?’

Resolver el misterio podría ayudar a los esfuerzos 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 combate el cambio climático. Fusion combina elementos ligeros con forma plasma para liberar grandes cantidades de energía.

A través de recientes simulaciones por computadora de alta resolución, Jardine y sus colegas han demostrado qué hace que la temperatura permanezca plana o incluso disminuya en el centro del plasma que impulsa las reacciones de fusión, incluso cuando se libera más potencia de calentamiento. Aumentar la potencia también aumenta la presión. Descubrieron que el plasma hasta el punto en que el plasma se vuelve inestable y el movimiento del plasma equilibra la temperatura.

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

Los hallazgos destacan un obstáculo clave que los investigadores deben evitar cuando intentan reproducir reacciones de fusión en tokamaks esféricos, dispositivos que se parecen más a manzanas sin corazón que a los tokamaks convencionales con forma de dona más utilizados. Los dispositivos esféricos producen campos magnéticos rentables y son candidatos para modelos experimentales de plantas de energía de fusión.

Los investigadores simularon experimentos anteriores en el National Spherical Torus Experiment (NSTX), una instalación de fusión avanzada mejorada en PPPL, donde se observó un desconcertante comportamiento del plasma. Los resultados fueron en gran medida consistentes con los encontrados en los experimentos NSTX.

“A través de NSTX, obtuvimos los datos y a través de un programa del DOE llamado SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] desarrollamos el código de computadora que usamos», dijo Jardine.

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

Mecanismo identificado

El mecanismo descubierto creó alta presión en ciertos lugares para romper las superficies magnéticas anidadas formadas por los campos magnéticos que envuelven el tokamak para confinar el plasma. La disrupción suavizó la temperatura de los electrones dentro del plasma y, por lo tanto, mantuvo la temperatura en el centro del gas cargado y caliente aumentando a fusión– los niveles correspondientes.

“Así que eso es en lo que estamos pensando en este momento al aumentar la inyección potencia del haz También aumentas la presión del plasma y llegas a cierto punto donde la presión comienza a destruir las superficies magnéticas cerca del centro del tokamak, dijo Jardine, y así la temperatura deja de aumentar.

Este mecanismo puede ser común en los pulmones esferoides, y se debe considerar la destrucción potencial de las superficies cuando se realicen en el futuro. pulmones esfericos están destinados.

Jardine planea continuar investigando el proceso para comprender mejor la destrucción de las superficies magnéticas y por qué es más probable que sean esféricas de lo normal. tokamaks. También ha sido invitado a presentar sus hallazgos en la reunión anual de la División de Física de Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física (APS-DPP) en octubre, donde se pueden reclutar científicos de carrera temprana para resolver el problema y desarrollar los detalles. el mecanismo propuesto.