Las islas magnéticas, estructuras en forma de burbuja que se forman en los plasmas de fusión, pueden crecer e interrumpir los plasmas y dañar las instalaciones de tokamak en forma de rosquilla que albergan las reacciones de fusión. Investigaciones recientes en el Laboratorio de Física de Plasma Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. DOEPPPL ha utilizado simulaciones por computadora a gran escala para producir un nuevo modelo que podría ser clave para comprender cómo las islas interactúan con el plasma circundante a medida que crecen y provocan interrupciones.
Los hallazgos, que anulan los supuestos de larga data de la estructura y el impacto de las islas magnéticas, provienen de simulaciones dirigidas por el físico visitante Jae-Min Kwon. Kwon, en un año sabático de la Investigación Avanzada Tokamak Superconductora de Corea KSTARinstalación, trabajó con físicos en PPPL para modelar las observaciones experimentales detalladas y sorprendentes realizadas recientemente en KSTAR.
Investigadores intrigados
"Los experimentos intrigaron a muchos investigadores de KSTAR, incluyéndome a mí", dijo Kwon, primer autor del nuevo artículo teórico seleccionado como Selección del Editor en la revista Física de plasma . "Quería entender la física detrás del confinamiento sostenido de plasma que observamos", dijo. "Los modelos teóricos anteriores suponían que las islas magnéticas simplemente degradaban el confinamiento en lugar de sostenerlo. Sin embargo, en KSTAR, no lo hicimos".tener los códigos numéricos adecuados necesarios para realizar dichos estudios, o suficientes recursos informáticos para ejecutarlos "
La situación convirtió los pensamientos de Kwon en PPPL, donde ha interactuado a lo largo de los años con físicos que trabajan en el poderoso código numérico XGC que desarrolló el Laboratorio. "Como sabía que el código tenía las capacidades que necesitaba para estudiar el problema,Decidí pasar mi año sabático en PPPL ", dijo.
Kwon llegó en 2017 y trabajó estrechamente con CS Chang, un físico investigador principal en PPPL y líder del equipo XGC, y los físicos de PPPL Seung-Ho Ku y Robert Hager. Los investigadores modelaron islas magnéticas utilizando condiciones de plasma de los experimentos KSTARLa estructura de las islas demostró ser notablemente diferente de los supuestos estándar, al igual que su impacto en el flujo de plasma, la turbulencia y el confinamiento de plasma durante los experimentos de fusión.
Fusion, el poder que impulsa el sol y las estrellas, es la fusión de elementos atómicos de luz en forma de plasma, el estado caliente y cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía.Los científicos buscan replicar la fusión en la Tierra para un suministro virtualmente inagotable de energía para generar electricidad.
Comprensión ausente
"La comprensión de cómo las islas interactúan con el flujo de plasma y la turbulencia ha estado ausente hasta ahora", dijo Chang. "Debido a la falta de cálculos detallados sobre la interacción de las islas con movimientos de partículas complicados y turbulencia de plasma, la estimación del confinamiento de plasmaalrededor de las islas y su crecimiento se ha basado en modelos simples y no se entiende bien "
Las simulaciones encontraron que el perfil de plasma dentro de las islas no era constante, como se pensaba anteriormente, y que tenía una estructura radial. Los hallazgos mostraron que la turbulencia puede penetrar en las islas y que el flujo de plasma a través de ellas puede ser fuertemente cortado para quese mueve en direcciones opuestas. Como resultado, el confinamiento de plasma se puede mantener mientras crecen las islas.
Estos sorprendentes hallazgos contradecían los modelos pasados y coincidían con las observaciones experimentales hechas en KSTAR. "El estudio exhibe el poder de la supercomputación en problemas que de otra manera no podrían estudiarse", dijo Chang. "Estos hallazgos podrían sentar nuevas bases para comprender la físicade interrupción del plasma, que es uno de los eventos más peligrosos que un reactor de tokamak podría encontrar ".
Millones de horas de procesador
La computación del nuevo modelo requirió 6.2 millones de horas de núcleo de procesador en la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía NERSC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley. El tiempo de procesamiento equivalió a miles de años enuna computadora de escritorio. "Lo que quería eran resultados cuantitativamente precisos que pudieran compararse directamente con los datos de KSTAR", dijo Kwon. "Afortunadamente, pude acceder a recursos suficientes en NERSC para lograr ese objetivo a través de la asignación dada al programa XGC. Iestoy agradecido por esta oportunidad "
En adelante, una computadora a mayor escala podría permitir que el código XGC comience desde la formación espontánea de las islas magnéticas y muestre cómo crecen, en interacción autoconsistente, con el flujo de plasma cortado y la turbulencia del plasma. Los resultados podrían conducir auna forma de prevenir interrupciones desastrosas en reactores de fusión.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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