En algún lugar dentro de una máquina con forma de rosquilla en California, una corriente de plasma sobrecalentado se lanza a aproximadamente 88 kilómetros por segundo. En cierto sentido, también se está desmoronando. Las partículas en el borde del campo magnético que mantiene el plasma en su lugar escapan constantemente, fluyendo hacia placas de metal diseñadas para atraparlas, enfriarlas y enviarlas de regreso a la refriega. Los átomos que regresan ayudan a mantener la reacción de fusión. Pero aquí está la cuestión: no aterrizan donde cabría esperar.
Durante años, los físicos que realizan experimentos con tokamak han notado un desequilibrio persistente. Muchas más partículas de plasma que se escapan impactan en el objetivo de escape interior que en el exterior. El patrón apareció una y otra vez, en diferentes máquinas y diferentes condiciones, y nadie podía explicarlo.
Eso importa más de lo que parece. Si alguna vez vamos a construir reactores de fusión que funcionen durante décadas (y ese es, después de todo, el punto), los ingenieros necesitan saber con precisión dónde impactarán esas partículas de escape. Si se hace mal, terminará con placas de metal erosionándose de manera desigual, puntos calientes que se forman en los lugares equivocados y componentes que fallan años antes de lo que deberían. El sistema de escape de un tokamak, llamado desviador, debe diseñarse con verdadera confianza en la física. Y la física, hasta hace poco, no cooperaba.
La explicación principal se había centrado en lo que se conoce como derivas de campo cruzado, el movimiento lateral de partículas cargadas a través de líneas de campo magnético dentro de la región del desviador. Bastante sensato. Pero cuando los investigadores construyeron simulaciones por computadora que incluían solo este efecto, los números no coincidían con lo que mostraban los experimentos. El desequilibrio de los modelos nunca fue lo suficientemente desigual.
Ahora, un equipo dirigido por Eric Emdee, físico investigador asociado del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, cree haber encontrado el ingrediente que falta. Utilizando el código de modelado SOLPS-ITER, Emdee y sus colegas simularon el comportamiento del plasma en el tokamak DIII-D en cuatro escenarios diferentes, activando y desactivando las derivas de campo cruzado y la rotación del plasma en varias combinaciones. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, quizás se describan mejor como una lección sobre cómo dos explicaciones mediocres pueden combinarse en una muy buena.
“Hay dos componentes que fluyen en un plasma”, dice Emdee. “Existe un flujo de campo cruzado, donde las partículas se desplazan lateralmente a través de las líneas del campo magnético, y un flujo paralelo, donde viajan a lo largo de esas líneas”. La sabiduría convencional había optado por el flujo entre campos como el culpable de la asimetría. “Mucha gente dijo que el flujo entre campos era lo que creaba la asimetría”, dice. “Lo que este artículo muestra es que el flujo paralelo, impulsado por el núcleo giratorio, es igualmente importante”.
Por sí solo, agregar rotación a las simulaciones cambió un poco las cosas. Lo mismo ocurre solo con las derivas entre campos. Ninguno de los dos pudo reproducir las mediciones experimentales. Pero cuando el equipo de Emdee combinó ambos efectos, alimentando la velocidad de rotación del núcleo medida de 88,4 kilómetros por segundo, las simulaciones finalmente coincidieron con lo que los físicos habían estado observando durante años en la máquina real. La influencia combinada resultó considerablemente mayor que la de cualquiera de los componentes trabajando de forma aislada, una especie de sinergia entre los dos mecanismos de flujo que cambia la forma en que se transporta el impulso a través del borde del plasma y, en última instancia, cuántas partículas terminan en cada objetivo del desviador.
Es un resultado positivo y tranquilizador. Los ingenieros de Fusion no pueden exactamente construir un prototipo de desviador, operarlo durante 20 años y ver qué sucede. Necesitan simulaciones en las que puedan confiar.
Lo que Emdee y sus colegas han demostrado es que los modelos de plasma límite existentes pueden llegar allí, que pueden reproducir las obstinadas asimetrías que los físicos han estado rascándose la cabeza, siempre que se tengan en cuenta tanto la rotación como las derivas trabajando juntas. Ese “siempre” supone un trabajo bastante pesado.
En el trabajo participaron investigadores de PPPL, MIT y la Universidad Estatal de Carolina del Norte, y se llevó a cabo utilizando la Instalación Nacional de Fusión DIII-D. Por sí solo, no resolverá los desafíos de ingeniería que plantea la construcción de un reactor de fusión comercial. Pero sí debilita una de esas inquietantes incógnitas que, si no se resuelven, podrían socavar silenciosamente todo el esfuerzo.
Para los ingenieros encargados de diseñar sistemas de escape que podrían necesitar sobrevivir décadas de bombardeo de plasma descontrolado, saber dónde aterrizan realmente las partículas no es un detalle menor. Quizás sea el detalle.
Enlace del estudio: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/zjpv-vxwd
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