Un obstáculo importante para producir energía de fusión segura, limpia y abundante en la Tierra es la falta de comprensión detallada de cómo se comporta el gas de plasma caliente y cargado que alimenta las reacciones de fusión en el borde de las instalaciones de fusión llamadas "tokamaks". Avances recientes de los investigadoresen el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton PPPL del Departamento de Energía de los EE. UU. PPE han logrado una comprensión avanzada del comportamiento del borde de plasma altamente complejo en tokamaks en forma de rosquilla en el camino para capturar la energía de fusión que alimenta el sol y las estrellas.La región de borde será particularmente importante para operar ITER, el experimento de fusión internacional en construcción en Francia para demostrar la practicidad de la energía de fusión.
Primer hallazgo de su tipo
Entre los primeros hallazgos de su tipo se encuentra el descubrimiento de que dar cuenta de las fluctuaciones turbulentas en los campos magnéticos que confinan el plasma que alimenta las reacciones de fusión puede reducir significativamente el flujo de partículas turbulentas cerca del borde del plasma. Las simulaciones por computadora muestran queel flujo neto de partículas puede disminuir hasta en un 30 por ciento, a pesar de que la magnitud promedio de la fluctuación de la densidad de partículas turbulentas aumenta en un 60 por ciento, lo que indica que a pesar de que las fluctuaciones de la densidad turbulenta son más virulentas, están sacando partículasdel dispositivo con menos eficacia.
Los investigadores han desarrollado un código especializado llamado "Gkeyll", pronunciado como "Jekyll" en "El extraño caso del Dr. Jekyll y Mr. Hyde" de Robert Louis Stevenson, que hace que estas simulaciones sean factibles. El código matemático, unUna forma de modelado llamada "girocinética" simula la órbita de las partículas de plasma alrededor de las líneas del campo magnético en el borde de un plasma de fusión.
"Nuestro artículo reciente resume los esfuerzos del grupo Gkeyll en el área de la simulación girocinética", dijo el físico de PPPL Ammar Hakim, autor principal de un documento de Física de Plasmas el enlace es externo que proporciona una visión general de los logros del grupo, basado en unconferencia invitada que pronunció en la conferencia de la División de Física del Plasma de la American Physical Society APS-DPP el otoño pasado. La investigación, en coautoría de científicos de seis instituciones, adapta un algoritmo de última generación al sistema girocinético para desarrollar el "Se necesitan avances numéricos clave para proporcionar simulaciones precisas ", dijo Hakim.
esfuerzo mundial
Tales avances son parte del esfuerzo mundial para comprender la ciencia detrás de la producción de reacciones de fusión en la Tierra. Las reacciones de fusión combinan elementos de luz en forma de plasma: el estado caliente y cargado de materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos queconstituye el 99 por ciento del universo visible, para generar cantidades masivas de energía que podrían proporcionar un suministro de energía prácticamente inagotable para generar electricidad para la humanidad.
Noah Mandell, un estudiante graduado en el Programa de Física de Plasma de la Universidad de Princeton, se basó en el trabajo del equipo para desarrollar el primer código girocinético capaz de manejar las fluctuaciones magnéticas en lo que se llama la capa de raspado de plasma SOL en el borde deplasmas tokamak. Los británicos Revista de física del plasma ha publicado y destacado su informe como un artículo destacado.
Mandell explora cómo la turbulencia de plasma en forma de burbuja dobla las líneas de campo magnético, lo que lleva a la dinámica de las "líneas de campo de baile". Encuentra que las líneas de campo generalmente se mueven suavemente, pero al bailar pueden reconfigurarse abruptamente en eventos de reconexión que hacen que converjan y violentamenteromperse.
Los hallazgos de Mandell se describen mejor como "prueba de concepto" con respecto a las fluctuaciones magnéticas, dijo. "Sabemos que hay más efectos físicos que deben agregarse al código para realizar comparaciones detalladas con experimentos, pero ya"Las simulaciones muestran propiedades interesantes cerca del borde del plasma", dijo. "La capacidad de manejar la flexión de las líneas del campo magnético también será esencial para futuras simulaciones de modos localizados en el borde ELM, que nos gustaría hacer mejor para comprender elprovocan explosiones de calor que deben controlarse para evitar daños en el tokamak ".
Muy desafiante
Lo que hace que este hallazgo sea único es que los códigos girocinéticos anteriores han simulado manchas SOL pero suponen que las líneas de campo eran rígidas, anotó Mandell. La extensión de un código girocinético para calcular el movimiento de las líneas de campos magnéticos es computacionalmente muy difícil, ya que requiere algoritmos especiales para garantizarque dos términos grandes se equilibran entre sí con una precisión de más de 1 parte en un millón.
Además, mientras que los códigos que modelan la turbulencia en el núcleo del tokamak pueden incluir fluctuaciones magnéticas, dichos códigos no pueden simular la región SOL ". El SOL requiere códigos especializados como Gkeyll que pueden manejar fluctuaciones e interacciones de plasma mucho más grandes con las paredes delreactor ", dijo Mandell.
Los pasos futuros para el grupo Gkeyll incluirán investigar el mecanismo físico preciso que afecta la dinámica del borde del plasma, un efecto probablemente conectado a las líneas de campo de flexión. "Este trabajo proporciona escalones que creo que son muy importantes", dijo Hakim"Sin los algoritmos que hicimos, estos hallazgos serían muy difíciles de aplicar a ITER y otras máquinas".
El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencia del DOE, la Beca de Graduados de Ciencias Computacionales del DOE y la Alianza para el Descubrimiento Científico de la Turbulencia Girocinética Multiescala a través de la Computación Avanzada SciDAC. Los cálculos se realizaron en el grupo Eddy en PPPL.
PPPL, en el Campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, NJ, se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas gases ultra calientes y cargados y a desarrollar soluciones prácticas para la creación de energía de fusión.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Princeton Plasma Physics Laboratory . Original escrito por John Greenwald. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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