Las simulaciones de fusión revelan la naturaleza multiescala de la turbulencia tokamak

La creación de energía de fusión eficiente y autosuficiente requiere un buen confinamiento del calor en el plasma. El confinamiento del plasma está limitado por las pérdidas de partículas y energía debidas a la turbulencia. Un nuevo análisis utilizó una poderosa supercomputadora para estudiar esta turbulencia.

El estudio examinó la compleja interacción entre el movimiento lento a gran escala de los iones de hidrógeno y el movimiento rápido a pequeña escala de los electrones. Encontró que esta llamada “turbulencia de múltiples escalas” es la principal responsable de las pérdidas de calor en la región periférica de los experimentos con tokamak en las condiciones requeridas para un reactor de fusión optimizado.

El artículo se publica en la revista Física del plasma y fusión controlada.

Las simulaciones anteriores se han centrado en la turbulencia provocada por el movimiento a gran escala de los iones de combustible de hidrógeno. Los recientes avances en computación han permitido nuevas simulaciones que pueden acoplar las escalas espaciales y temporales de los iones de hidrógeno a las escalas espaciales más pequeñas y escalas temporales más rápidas de electrones mucho más ligeros. Los iones de hidrógeno son 1800 veces más pesados ​​que los electrones.

En este estudio, utilizando una de las computadoras más poderosas del mundo, la supercomputadora Summit en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios del Departamento de Energía, los científicos realizaron las primeras simulaciones de turbulencia de plasma en el borde de tokamaks que capturan la multi interacción ión-electrón a escala. El equipo incluyó investigadores de General Atomics y la Universidad de California, San Diego. Las simulaciones predicen con precisión las pérdidas de calor medidas experimentalmente en el tokamak DIII-D. Los resultados revelan que la turbulencia a pequeñas escalas de electrones puede convertirse en el principal impulsor de la pérdida de calor en el borde del tokamak.

La turbulencia del plasma puede limitar el rendimiento de los reactores de fusión. Los investigadores saben que la región de plasma periférico del tokamak juega un papel clave en la definición del confinamiento energético global. Las nuevas simulaciones de supercomputadoras proporcionan predicciones muy necesarias de la turbulencia de borde. Esto ayudará a los investigadores de la ciencia de la fusión a diseñar reactores de fusión de próxima generación como el ITER con un rendimiento de fusión óptimo.