Avances en la Investigación de Fusión: Nuevas Perspectivas sobre el Flujo de Iones Energéticos

Investigaciones recientes en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D han llevado a observaciones innovadoras de iones energéticos en plasmas de fusión, cruciales para mantener el estado de plasma en combustión. Esta comprensión mejorada es fundamental para el desarrollo de plantas de energía de fusión y tiene implicaciones para entender los comportamientos del plasma en el espacio, potencialmente mejorando la confiabilidad de los satélites. Crédito: SciTechDaily.com

Nuevas observaciones en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D ofrecen conocimientos vitales sobre los iones energéticos en plasmas de fusión, clave para el desarrollo de la energía de fusión y la comprensión del plasma espacial, con implicaciones para la tecnología satelital.

En un plasma en combustión, mantener el confinamiento de iones energéticos producidos por la fusión es esencial para generar energía. Estos plasmas de fusión albergan una amplia variedad de ondas electromagnéticas que pueden empujar a los iones energéticos fuera del plasma. Esto reduce el calentamiento del plasma a partir de los productos de reacción de fusión y ​​termina el estado de plasma en combustión.

Mediciones recientes en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D proporcionan las primeras observaciones directas de iones energéticos moviéndose a través del espacio y la energía en un tokamak. Los investigadores combinaron estas mediciones con modelos avanzados de computadora de ondas electromagnéticas y cómo interactúan con los iones energéticos. Los resultados proporcionan una mejor comprensión de la interacción entre las ondas del plasma y los iones energéticos en plasmas de fusión.

La física del plasma y la investigación de fusión se están moviendo de instalaciones experimentales hacia el diseño de plantas de energía de demostración. Para que este cambio sea un éxito, los investigadores necesitan simulaciones precisas y otras herramientas que predigan cómo funcionarán los diseños de las plantas de energía. La mayoría de las instalaciones actuales no producen plasmas en combustión. Sin embargo, los investigadores comprenden gran parte de la física relevante y están desarrollando simulaciones para reproducir el comportamiento experimental observado.

La investigación actual realizó nuevas mediciones del flujo de iones energéticos en el tokamak DIII-D. Esto acelerará el desarrollo de modelos que tengan en cuenta todas las dinámicas relevantes de interacción entre ondas e iones.

Esta comprensión mejorada también permite la aplicación de la ingeniería del espacio de fases. Los investigadores pueden utilizar este proceso para diseñar nuevos escenarios de plasma de fusión basados en interacciones ideales predichas entre ondas e iones. Es importante destacar que estas interacciones también pueden afectar los satélites, por lo que esta investigación puede ayudar a mejorar su confiabilidad.

Flujo de iones energéticos medidos (izquierda) y simulados (derecha) en plasmas DIII-D. A partir de las energías inyectadas de haces neutrales, los iones inyectados se mueven en el espacio y la energía debido a las interacciones con las ondas electromagnéticas. Crédito: X.D. Du, General Atomics

Investigadores en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios del Departamento de Energía, han utilizado las primeras mediciones de un nuevo sistema de diagnóstico, el Analizador de Partículas Neutrales de Imagen (INPA), para observar el flujo de iones energéticos en un tokamak. Un esfuerzo de varios años para conceptualizar, diseñar y construir el INPA ha proporcionado ahora la primera capacidad para observar este comportamiento.

Después de ser inyectados en el tokamak mediante haces neutrales, los iones energéticos interactúan con ondas electromagnéticas de plasma y fluyen en energía y posición a través del tokamak. Las simulaciones reproducen el comportamiento observado, demostrando así la precisión de los modelos de primeros principios para describir la física subyacente. Una mejor comprensión de estas interacciones onda-partícula es relevante para el diseño de plantas de energía de fusión y la comprensión del comportamiento de los plasmas observados en el espacio exterior.

El INPA mide la energía de los iones energéticos inyectados por haces neutrales, que tienen una energía mayor que la del plasma de fondo, a lo largo del tiempo y la posición espacial, desde el núcleo de plasma caliente hasta el borde de plasma frío, donde los iones pueden perderse. Junto con simulaciones avanzadas de computación de alto rendimiento que modelan tanto el espectro de ondas electromagnéticas como las interacciones con los iones energéticos, estos experimentos proporcionan la comprensión más detallada de la interacción entre las ondas del plasma y los iones energéticos en plasmas de fusión.

Esta comprensión mejorada también permite a los investigadores aplicar la ingeniería del espacio de fases, un proceso en el que diseñan nuevos escenarios de plasma de fusión basados en interacciones ideales predichas entre ondas e iones. Este tipo de interacciones ocurren en el espacio exterior. Por ejemplo, las ondas de ciclotrón de iones electromagnéticos (EMIC) hacen que los electrones fluyan a través del espacio y la energía.

En algunos casos, los electrones se han acelerado de manera que causan fallas en los satélites. Una mejor comprensión de los procesos de interacción resonante onda-partícula a través de investigaciones sobre plasmas de fusión contribuye a las simulaciones de plasmas en el espacio exterior, lo que podría mejorar la confiabilidad de las futuras misiones satelitales.