Los físicos del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton PPPL del Departamento de Energía de los Estados Unidos DOE han simulado la transición espontánea de la turbulencia en el borde de un plasma de fusión al modo de alto confinamiento modo H que sustenta las reacciones de fusión.La simulación detallada es el primer modelo de física básica, o basado en los primeros principios, con pocos supuestos simplificadores.
La investigación se logró con el código de turbulencia en plasma de escala extrema XGC desarrollado en PPPL en colaboración con un equipo nacional. Los resultados proporcionan la base física para la operación exitosa de tokamaks actuales y futuros que producirán reacciones de fusión potentes y económicas.
Esta simulación masivamente paralela, que revela la física detrás de la transición, utilizó la mayor parte del poder de una supercomputadora. El código XGC se ejecutó durante tres días y tomó el 90 por ciento de la capacidad de Titán en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, quees la supercomputadora más poderosa de la nación para la ciencia abierta y capaz de realizar hasta 27 millones de millones 10 15 operaciones por segundo.
"Después de 35 años, la física fundamental de la bifurcación de la turbulencia en modo H ahora se ha simulado, gracias al rápido desarrollo de la capacidad de hardware y software computacional", dijo CS Chang, primer autor de abril Cartas de revisión física documento que informó los resultados. Los coautores incluyeron un equipo de PPPL, la Universidad de California, San Diego y el Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del MIT. Seung-Hoe Ku de PPPL realizó la simulación.
Como ejemplo del uso del modelo, el núcleo del plasma dentro del tokamak ITER de siete pisos, el experimento de fusión internacional en construcción en Francia, tendrá que ser más de 10 veces más caliente que el núcleo del sol,cuya temperatura es de 15 millones de grados Celsius. Sin embargo, el borde del plasma, ubicado a unos 2 metros de distancia, será 1,000 veces más frío, y la mayor parte de la temperatura caerá sobre una pendiente radial cuyo ancho es solo un pequeño porcentaje del tamaño total del plasma.
En 1982, investigadores alemanes descubrieron que el borde del plasma puede bifurcarse espontáneamente en un pedestal alto con un gradiente empinado, o barrera de transporte, que produce el confinamiento en modo H y mantiene el calor del núcleo del plasma. Esta bifurcación tiene lugarcuando la potencia de calentamiento del tokamak se eleva por encima de un nivel crítico.
La creación de la barrera de transporte ocurre casi instantáneamente. La acumulación resulta de la supresión de la turbulencia del borde, que cae de amplitud alta a baja en menos de una décima de milisegundo. El rompecabezas desconcertante de los físicos durante más de tres décadas es lo que causa esta transiciónsuceder
Los investigadores han mantenido durante mucho tiempo dos historias contradictorias, basadas en modelos reducidos y varios grados de suposiciones simplificadoras, que surgen de la complejidad del borde del plasma y la falta de potencia informática. Una escuela propone que la transformación provenga de una cizalladura generada por la turbulenciaflujo de plasma de borde generado por un proceso llamado "estrés de Reynolds". Oponerse a esta vista es una escuela que atribuye la bifurcación a un flujo cizallado no turbulento.
El código PPPL de escala extrema indica que ambas historias son parcialmente correctas. La simulación revela que la bifurcación es el resultado de sinérgico relación entre el flujo de cizallamiento generado por estrés de Reynolds y el flujo de cizallamiento no turbulento, que técnicamente se conoce como el flujo "impulsado por la pérdida de la órbita del punto X" y el flujo "neoclásico". En resumen, dice el documento, "elargumento experimental basado en el mecanismo de pérdida de órbita ... y el argumento convencional de estrés de Reynolds funcionan juntos "
Para ITER y otras máquinas de próxima generación, la bifurcación al modo H podría requerir un aumento en la potencia de calentamiento si el flujo de cizallamiento no turbulento resulta más débil de lo que requieren los tokamaks de hoy en día. Lo contrario también es cierto: si el no turbulento-el flujo cizallado impulsado debería ser más fuerte de lo que se anticipa actualmente para ITER, es posible que se necesite menos potencia de calentamiento para lograr la transformación crucial al modo H.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de física de plasma de Princeton . Original escrito por John Greenwald. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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