Físicos han producido simulaciones complejas capaces de descifrar la inestabilidad en los plasmas que alimentan los reactores de fusión, uno de los escollos para desarrollar esta fuente de energía.

Las oscilaciones de diente de sierra, ondas ascendentes y descendentes que se encuentran en todo, desde el precio de las acciones en Wall Street hasta las olas oceánicas, ocurren periódicamente en la temperatura y densidad del plasma que alimenta las reacciones de fusión en instalaciones en forma de rosquilla denominadas tokamaks. Estos cambios a veces pueden combinarse con otras inestabilidades en el plasma para producir una tormenta perfecta que detiene las reacciones. Sin embargo, algunos plasmas están libres de estos dientes de sierra gracias a un mecanismo que ha desconcertado a los físicos.

Investigadores del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han producido recientemente simulaciones complejas del proceso que pueden mostrar la física detrás de este mecanismo, que se llama «bombeo de flujo magnético». Desentrañar el proceso podría avanzar en el desarrollo de la energía de fusión.

La fusion, el poder que impulsa el sol y las estrellas, es la fusión de elementos ligeros en forma de plasma –el estado de materia cargado y caliente compuesto de electrones libres y núcleos atómicos– que genera enormes cantidades de energía. Los científicos están tratando de replicar la fusión en la Tierra para un suministro de energía prácticamente inagotable para generar electricidad.

El mecanismo de bombeo de flujo limita la corriente en el núcleo del plasma que completa el campo magnético que confina el gas cargado y caliente que produce las reacciones. Este desarrollo, que se encuentra en algunos plasmas de fusión, evita que la corriente se vuelva lo suficientemente fuerte como para desencadenar la inestabilidad del diente de sierra.

Encabezando la investigación que descubrió el proceso está la física Isabel Krebs, autora principal de un estudio en Physics of Plasmas que describe el mecanismo. Krebs usó el código M3D-C1 desarrollado por PPPL para simular el proceso en el clúster de computadoras de alto rendimiento en PPPL, trabajando estrechamente con los físicos teóricos Stephen Jardin y Nate Ferraro, desarrolladores del código. «El mecanismo detrás del bombeo de flujo magnético no se había entendido», dijo Jardin en un comunicado. «El documento de Isabel describe el proceso».

En las simulaciones PPPL, el bombeo de flujo magnético se desarrolla en «escenarios híbridos» que existen entre regímenes estándar, que incluyen plasmas de alta confinación (modo H) y de confinamiento bajo (modo L), y escenarios avanzados en los que funciona el plasma. un estado estable. En los escenarios híbridos, la corriente permanece plana en el núcleo del plasma mientras que la presión del plasma se mantiene suficientemente alta.

Esta combinación crea lo que se llama «un modo casi de intercambio» que actúa como un mezclador que mueve el plasma mientras deforma el campo magnético. El mezclador produce un poderoso efecto que mantiene la planitud de la corriente y evita que se forme la inestabilidad del diente de sierra. Un proceso similar mantiene el campo magnético que protege a la Tierra de los rayos cósmicos, con el líquido fundido en el núcleo de hierro del planeta que sirve como mezclador.

El mecanismo también se regula a sí mismo, como muestran las simulaciones. Si el bombeo de flujo crece demasiado fuerte, la corriente en el núcleo del plasma permanece «justo por debajo del umbral de la inestabilidad del diente de sierra», según Krebs. Al permanecer por debajo del umbral, la corriente evita que la temperatura y la densidad del plasma suban y bajen en zigzag.

Las simulaciones podrían conducir a medidas para evitar los cambios molestos. «Este mecanismo puede ser de gran interés para futuros experimentos de fusión a gran escala como ITER», dijo Krebs. Para ITER, el principal experimento de fusión internacional en construcción en Francia, la creación de un escenario híbrido podría producir flujo de bombeo y disuadir inestabilidades de diente de sierra.

Una forma de desarrollar el escenario híbrido será que los operadores de ITER experimenten con el tiempo de la potencia del haz neutral que calentará el plasma ITER a las temperaturas de fusión. Dichos experimentos podrían conducir a la combinación de corriente de plasma y presión que produce una operación sin dientes de sierra.

Fuente: europapress.es