Descubren el papel clave de la rotación del plasma en la fusión nuclear

Investigadores de la Universidad de Princeton lograron resolver un enigma que durante años había desconcertado a los científicos en el campo de la fusión nuclear. Este misterio se centraba en los tokamaks, máquinas en forma de dona diseñadas para aprovechar la energía de fusión. A través de experimentos, se había observado que las partículas de plasma que escapaban del núcleo impactaban desproporcionadamente más en un lado del sistema de escape, conocido como divertor, que en el otro. Sin embargo, los modelos de simulación no lograban explicar esta anomalía.

El estudio reciente reveló que la rotación del plasma, un factor hasta ahora subestimado, juega un papel crucial en la creación de este desequilibrio. Los científicos descubrieron que la rotación toroidal del plasma, que se mueve en círculos alrededor del tokamak, influye significativamente en la ubicación donde las partículas terminan en el sistema de escape.

Utilizando el código de modelado SOLPS-ITER, el equipo simuló el comportamiento de las partículas bajo diversas condiciones. Los resultados, publicados en la revista Physical Review Letters, mostraron que las simulaciones solo coincidieron con las mediciones reales cuando se incluyó la rotación del plasma junto con los desplazamientos laterales de las partículas. Esta coincidencia es esencial para el diseño de sistemas de fusión que puedan operar de manera confiable fuera del laboratorio.

El físico Eric Emdee, autor principal del estudio, explicó: "Existen dos componentes en el flujo de un plasma: el flujo lateral, donde las partículas se desplazan a través de las líneas del campo magnético, y el flujo paralelo, donde viajan a lo largo de esas líneas. Muchos creían que el flujo lateral era el responsable de la asimetría. Este estudio demuestra que el flujo paralelo, impulsado por el núcleo rotativo, es igualmente importante".

Para validar su hipótesis, el equipo modeló el comportamiento del plasma en el tokamak DIII-D, ubicado en California. Realizaron cuatro escenarios diferentes, activando y desactivando los desplazamientos laterales y la rotación del plasma. Los resultados fueron contundentes: ninguna de las simulaciones coincidió con los datos experimentales hasta que se incorporó la velocidad de rotación del núcleo, que medía 88.4 kilómetros por segundo. Una vez que se incluyeron ambos efectos, los modelos reprodujeron de cerca la distribución desigual de partículas observada en los experimentos reales.

Estos hallazgos subrayan la conexión crítica entre el núcleo rotativo del plasma y el comportamiento de las partículas en el borde del sistema. Captar con precisión esta relación será fundamental para predecir cómo se moverán las partículas de escape en los futuros reactores de fusión. Mejorar las predicciones implica un mejor diseño: con una comprensión más clara de dónde se concentrarán el calor y las partículas, los ingenieros podrán construir divertores más resistentes y adecuados para las condiciones reales de operación.

El equipo de investigación incluyó a Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie y Shaun Haskey del PPPL; Raúl Gerrú Migueláñez del Instituto Tecnológico de Massachusetts; y Florian Laggner de la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Este trabajo recibió apoyo de la Oficina de Ciencias de la Energía de Fusión del DOE, utilizando las instalaciones del DIII-D National Fusion Facility.

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