Calentar el plasma a las temperaturas extremadamente altas necesarias para la reacción de fusión requiere más que girar el dial de un termostato. Los científicos consideran varios métodos, uno de los cuales consiste en inyectar ondas electromagnéticas en plasma, el mismo proceso que calienta los alimentos en un horno microondas. Pero cuando producen un tipo de onda de calentamiento, a veces pueden producir simultáneamente otro tipo de onda que no calienta el plasma, desperdiciando de hecho energía.
En respuesta a este problema, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) han realizado simulaciones por ordenador que confirman una técnica que evita la producción de ondas sin asistencia, denominada modo lento, que aumenta el calor. Mayor eficiencia de las reacciones de plasma y fusión.
“Esta es la primera vez que los científicos utilizan simulaciones por computadora en 2D para estudiar cómo se reducen los modos lentos”, dijo Eun-Hwa Kim, físico investigador principal de PPPL y autor principal del artículo que informa sobre los hallazgos. Física del plasma. “Los resultados podrían conducir a un calentamiento del plasma más eficiente y potencialmente a una ruta más fácil hacia la energía de fusión”.
El equipo, que incluía investigadores de General Atomics que utilizan la instalación de fusión tokámica DIII-D, determinó que una rejilla metálica conocida como pantalla de Faraday con una ligera inclinación de cinco grados con respecto a la antena que genera las ondas de calentamiento se Previene la producción de ondas de helicón, modos lentos. Los investigadores quieren evitar la creación de modos lentos porque, a diferencia de las ondas de helicón, no pueden penetrar las líneas del campo magnético que confinan el plasma al calor, donde tiene lugar la mayor parte de la reacción de fusión. Además, los modos lentos son fácilmente amortiguados o aniquilados por el propio plasma. Por lo tanto, cualquier energía utilizada para formar el modo lento es energía que no se utiliza para calentar el plasma y promover la reacción de fusión.
Los investigadores modelaron las ondas del helicón y los modos lentos utilizando el código informático Petra-M, un programa potente y versátil utilizado para modelar ondas electromagnéticas en dispositivos de fusión y plasmas espaciales. Las condiciones de simulación imitan las del tokamak DIII-D, un dispositivo de plasma con forma de rosquilla operado por General Atomics para el DOE. El equipo llevó a cabo una serie de experimentos virtuales para probar cuál de los siguientes tenía el mayor efecto en la producción en modo lento: la alineación de la antena, la alineación de la pantalla de Faraday o la colocación de pequeñas partículas llamadas electrones frente a la antena. La densidad de Las simulaciones confirmaron sugerencias hechas por investigadores anteriores al mostrar que cuando la pantalla de Faraday estaba alineada en un ángulo de cinco grados o menos con respecto a la orientación de la antena, la pantalla, de hecho, cortocircuitaba los modos, provocando que cambiaran. salir prematuramente. difundirse en el plasma.
La supresión de los modos lentos depende de la dirección en la que esté inclinada la pantalla de Faraday. “Descubrimos que cuando la orientación de la pantalla aumentaba un poco más de cinco grados, los modos lentos aumentaban considerablemente”, dijo el físico investigador principal de PPPL, Masayuki Ono, uno de los autores del artículo. “Nos sorprendió lo sensible que fue el crecimiento de los modos lentos a la alineación de la pantalla”. Los científicos pueden utilizar esta información para mejorar el diseño de nuevas instalaciones de fusión para hacer que su calor sea más potente y eficiente.
En el futuro, los científicos planean aumentar su comprensión sobre cómo suprimir los modos lentos ejecutando simulaciones por computadora que consideren más propiedades del plasma y tengan en cuenta más información sobre la antena.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias del DOE (Fusion Energy Sciences) bajo los contratos DE-AC20-09CH11466 y DE-FC02-04ER54698 y por el Programa de Descubrimiento Científico a través de Computación Avanzada del DOE bajo el contrato DE-SC0024369. Las simulaciones se realizaron en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, utilizando una instalación de usuario del DOE bajo el contrato DE-AC02-05CH11231 y el premio FES-ERCAP0027700.
