Solución 'española' a un problema de 20 años en fusión nuclear

Pablo Rodriguez Fernandez
BORJA SANTOS PORRAS
Publicado 19/02/2018 13:56:50CET

   MADRID, 19 Feb. (EUROPA PRESS) -

   Una investigación del MIT, con el español Pablo Rodríguez Fernández como primer autor, ha respondido a una cuestión abierta desde hace 20 años para desarrollar la energía de fusión nuclear.

   Para que la energía de fusión sea una realidad, los científicos deben aprovechar el plasma de fusión, un torbellino gaseoso de fuego en el que las partículas radiactivas reaccionan para generar calor y electricidad.

   Pero la turbulencia del plasma de fusión puede confrontar a los investigadores con comportamientos ingobernables que son un obstáculo para los intentos de hacer predicciones y desarrollar modelos. En experimentos durante las últimas dos décadas, ha surgido un problema especialmente molesto: en respuesta al enfriamiento deliberado en sus bordes, el plasma de fusión sufre inexplicablemente aumentos abruptos en la temperatura central.

   Estos picos de temperatura contraintuitivos, que actúan contra la física de los modelos de transporte de calor, no han encontrado una explicación, hasta ahora.

   Una investigación publicada en Physical Review Letters, que tiene como primer autor al español Pablo Rodriguez Fernández, estudiante graduado en el departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear del MIT, ha realizado estudios que ofrecen una nueva visión de la compleja física del transporte de calor por plasma y apuntar hacia modelos más robustos de comportamiento de plasma de fusión.

   En experimentos usando Alcaka C-Mod tokamak de MIT, el equipo se centró en el problema de la turbulencia y su impacto en la calefacción y la refrigeración. En tokamaks, el transporte de calor suele estar dominado por el movimiento turbulento del plasma, impulsado por gradientes en la presión del plasma.

   Los científicos tienen una buena comprensión del transporte turbulento de calor cuando el plasma se mantiene en condiciones estables. Pero cuando el plasma es perturbado intencionalmente, los modelos estándar de transporte de calor simplemente no pueden capturar la respuesta dinámica del plasma.

   En uno de esos casos, el experimento de pulso frío, los investigadores perturban el plasma cerca de su borde al inyectar una impureza, lo que resulta en un enfriamiento rápido del borde.

   Replicados muchas veces, estos experimentos de pulso frío con sus resultados poco probables desafían lo que se llama el modelo local estándar para el transporte turbulento de calor y partículas en dispositivos de fusión. También representan una barrera importante para el modelado predictivo en experimentos de fusión de alto rendimiento, como ITER, el proyecto internacional de fusión nuclear, y el reactor de fusión a pequeña escala propuesto por el MIT, ARC.

   Para lograr una nueva perspectiva sobre el transporte de calor durante los experimentos de pulso frío, el equipo desarrolló un giro único.

   "Sabíamos que la rotación del plasma, es decir, lo rápido giraba el plasma en la dirección toroidal, cambiaría durante estos experimentos de pulso frío, lo que complica bastante el análisis", señala Anne White, profesora del mismo departamento, que dirigió la investigación. "Esto se debe a que el acoplamiento entre el transporte de momento y el transporte de calor en los plasmas de fusión aún no se comprende completamente ", explica. "Necesitábamos aislar inequívocamente un efecto del otro".

   Como primer paso, el equipo desarrolló un nuevo experimento que demostró de manera concluyente cómo se producirían los fenómenos de pulso frío asociados con el transporte de calor, independientemente del estado de rotación del plasma. Con Rodríguez Fernández como primer autor, el grupo de White informó este resultado clave en la revista Nuclear Fusion en 2017.

A partir de ahí, se necesitó una vuelta de tuerca de modelado para recrear la dinámica del pulso frío vista en los experimentos. Para abordar el problema, Rodríguez Fernández construyó un nuevo marco, llamado PRIMA, que le permitió introducir pulsos fríos en simulaciones dependientes del tiempo. Utilizando un software especial que tiene en cuenta la física de turbulencia, radiación y transporte de calor dentro de un tokamak, PRIMA podría modelar fenómenos de pulso frío consistentes con mediciones experimentales.

   "Pasé mucho tiempo simulando la propagación de pulsos fríos usando solo un aumento en la potencia radiada, que es el efecto más intuitivo de una inyección de pulso frío", dice Rodríguez Fernández.

   Debido a que los datos experimentales mostraron que la densidad de electrones aumentaba con cada inyección de pulso frío, Rodríguez Fernández implementó un efecto análogo en sus simulaciones. Observó una combinación muy buena en amplitud y escalas de tiempo del comportamiento de la temperatura central. "¡Ese fue un momento 'aha!'", recuerda en un comunicado.

   Usando PRIMA, Rodríguez Fernández descubrió que una competencia entre los tipos de modos turbulentos en el plasma podría explicar los experimentos de pulso frío. Estos diferentes modos, explica White, compiten para convertirse en la causa dominante del transporte de calor. "Cualquiera que gane determinará la respuesta del perfil de temperatura y determinará si el centro se calienta o se enfría después del enfriamiento del borde", dice.