Los físicos han considerado durante mucho tiempo la turbulencia del plasma como un comportamiento rebelde que puede limitar el rendimiento de los experimentos de fusión. Pero los nuevos hallazgos de investigadores asociados con el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton PPPL del Departamento de Energía de EE. UU. Y el Departamento de Ciencias Astrofísicas de PrincetonLa universidad indica que los turbulentos remolinos de plasma podrían beneficiar a una de las dos ramas principales de dicha investigación. Cartas de revisión física destacó estos hallazgos, una distinción otorgada a uno de cada seis artículos por número, cuando publicaron los resultados la semana pasada el 11 de marzo de 2016.
El autor principal, Seth Davidovits, estudiante de posgrado de la Universidad de Princeton, y el Profesor Nat Fisch, su asesor de tesis y Director Asociado de Asuntos Académicos en PPPL, produjeron los resultados. Modelaron la compresión de la turbulencia de fluidos, mostrando efectos que sugirieron un sorprendente impacto positivode turbulencia en experimentos de fusión por confinamiento inercial ICF.
Estimulando este trabajo fueron experimentos realizados por el profesor Yitzhak Maron en el Instituto de Ciencia Weizmann en Israel. Esos experimentos, en una máquina de confinamiento inercial Z-pinch, mostraron turbulencias que contenían una sorprendente cantidad de energía, que llamó la atención de Fisch durante un recientesabático en Weizmann.
En una máquina Z-pinch y otras máquinas de confinamiento inercial ICF, el plasma se comprime para crear energía de fusión. El método contrasta con la investigación realizada en PPPL y otros laboratorios, que controlan el plasma con campos magnéticos y lo calienta a temperaturas de fusión endispositivos con forma de rosquilla llamados tokamaks. El dispositivo de pellizco en Z más grande en los Estados Unidos se encuentra en el Laboratorio Nacional Sandia del DOE. Otros enfoques de confinamiento inercial se llevan a cabo, entre otros lugares, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del DOE.
Los enfoques actuales de ICF utilizan la compresión para calentar constantemente el plasma. Los métodos van desde exprimir plasma con campos magnéticos en Sandia hasta disparar láseres a cápsulas llenas de plasma en el Centro Nacional de Encendido de Livermore. Se cree que la presencia de turbulencia en el plasma aumenta eldificultad para lograr la fusión.
Pero podría haber ventajas en la turbulencia si se maneja adecuadamente, señalan los autores, ya que la energía contenida en la turbulencia no se irradia. Esto se compara con los plasmas más calientes en los que el calor se irradia rápidamente, haciendo que la fusión sea más difícil de lograr. Al almacenar la energíade la compresión en turbulencia en lugar de temperatura, los autores suprimen la energía perdida por la radiación durante la compresión.
La energía turbulenta tampoco conduce inmediatamente a la fusión, lo que requiere alta temperatura. Esto significa que se necesita un mecanismo para cambiar la turbulencia a la temperatura requerida para la fusión una vez que el plasma se ha comprimido.
Davidovits utilizó un código de software llamado Dedalus para mostrar que la energía turbulenta aumenta durante la compresión, pero luego se transforma repentinamente en calor. A medida que las fuerzas externas en su simulación comprimen la turbulencia para aumentar la energía almacenada dentro de ella, también aumentan gradualmente la temperaturay la viscosidad del plasma. La viscosidad, que describe cuán "espeso" o resistente al flujo de un fluido es, actúa para desacelerar la turbulencia y convertir su energía en temperatura. La viscosidad comenzó pequeña, por lo que la turbulencia fue inicialmente libre de obstáculos.luego mantuvo la viscosidad creciendo hasta que de repente catalizó la transferencia de energía de la turbulencia a la temperatura.
En un experimento, este proceso crearía las condiciones para la fusión nuclear en un plasma compuesto por los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio. "Esto sugiere un diseño fundamentalmente diferente para los experimentos de fusión basados en compresión", dijo Davidovits, "y un nuevo paradigmapara la técnica de inercia de producir energía de fusión "
Advierte, sin embargo, que la simulación incluye advertencias que podrían disminuir los hallazgos. Por ejemplo, el modelo no considera ninguna posible interacción entre el plasma y la cápsula que lo contiene, y la turbulencia altamente energética podría mezclar partes de la cápsula en elplasma y contamina el combustible de fusión.
No obstante, los autores llaman a la rápida transferencia de energía turbulenta a la temperatura durante los experimentos de ICF una perspectiva "tentadora" que podría beneficiar dicha investigación. Y señalan que sus hallazgos podrían conducir a una nueva comprensión de la evolución de la relación entre la presión,Volumen y temperatura de un gas que es sustancialmente turbulento. Dicen que esto será un gran desafío, dicen, "pero la comprensión será importante no solo para el nuevo enfoque de fusión, sino también para muchas situaciones que involucran el comportamiento de fluidos compresibles de baja viscosidad ygases "
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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