Científicos del Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) han facilitado la comprensión de una barrera que puede evitar que las instalaciones de fusión en forma de rosquilla conocidas como “tokamaks” funcionen con alta eficiencia, al hacer que se pierda calor vital.
Dirigido por el físico de PPPL Roscoe White, el equipo de investigación usó ordenadores para simular un tipo de movimiento de plasma que puede desplazar partículas altamente energéticas desde el núcleo hasta el borde, un fenómeno que podría ocurrir en el ITER, el tokamak multinacional que se está construyendo en Francia para demostrar viabilidad de la fusión como fuente de energía.
«Para que funcione cualquier dispositivo de fusión, este debe asegurarse de que las partículas altamente energéticas dentro de él estén muy bien confinadas dentro del núcleo de plasma«, afirma el físico de PPPL Vinícius Duarte, miembro del equipo de investigación que informó los resultados en Física de Plasmas. «Si esas partículas se desplazan hacia el borde del plasma, no se puede mantener el plasma en estado estable, algo que se necesita para hacer realidad la electricidad alimentada por fusión«.
Duarte se refiere a un fenómeno llamado «chirrido», que tiene lugar cuando la frecuencia de las ondas de plasma que interactúan con partículas altamente energéticas cambia repentinamente, causando que la energía escape del núcleo de plasma y produzca tonos que cambian rápidamente. Los nuevos hallazgos, que aclaran aspectos de cómo se forma el “chirrido” en un tokamak, podrían ayudar a los investigadores a descubrir cómo frustrarlo y mantener el calor vital. Prevenir los cambios repentinos de frecuencia también podría proteger las paredes de tokamak de la liberación repentina de explosiones de energía concentradas y dañinas.
La fusión combina elementos de luz en forma de plasma (el estado caliente y cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos) y genera cantidades masivas de energía en las estrellas. Los científicos desean replicar la fusión en dispositivos en la Tierra para disponer de un suministro prácticamente inagotable de energía segura y limpia para generar electricidad.
Los investigadores utilizaron simulaciones por ordenador que muestran vistas muy detalladas del movimiento de los conglomerados de partículas de plasma para revelar algunos de los mecanismos responsables del “chirrido”, lo que da la esperanza de que los científicos puedan encontrar formas de paliar sus efectos. Los científicos usaron el código PPPL ORBIT para calcular cómo la posición y la velocidad de las partículas de plasma cambian con el tiempo en tres dimensiones. Las simulaciones mostraron que el “chirrido” comienza cuando las partículas que se mueven rápidamente en el núcleo interactúan con las ondas que se mueven a través del plasma y forman espontáneamente grupos que migran al borde del mismo. Los hallazgos confirman resultados anteriores basados en configuraciones de tokamak simplificadas. También revelan dinámicas más ricas y complejas nunca antes observadas.
Esta interacción con las partículas de plasma hace que la frecuencia de las llamadas ondas Alfvén de plasma aumente y disminuya simultáneamente, catapultando los grupos hacia el borde del plasma y, a veces, hacia la pared. «Las herramientas desarrolladas en esta investigación han permitido vislumbrar la dinámica complicada y autoorganizada de los ‘chirridos’ en un tokamak«, confirma Duarte.
Los científicos tuvieron que crear nuevas herramientas virtuales para observar el movimiento de las ondas simuladas con los detalles necesarios. «Lo más difícil fue desarrollar los diagnósticos que mostraran limpiamente lo que estaba sucediendo«, recordó White. «En cierto sentido, es como construir un microscopio que te permitirá ver lo que necesitas observar«.
Fuente: AIP.
