Una nova troballa pot explicar la pèrdua de calor en els reactors de fusió

Resolent un vell misteri, els experiments del Massachusetts Institute of Technology (MIT) revelen dues formes de turbulències interactuant entre si.
Un dels majors obstacles per fer que l'energia de fusió sigui pràctica (i fer realitat la seva promesa d'una energia virtualment sense límit i relativament neta) ha estat que els models per computador no han estat capaços de predir com es comporta el gas calent i elèctricament carregat dins d'un reactor de fusió sota la intensa calor i pressió requerides perquè els àtoms es fusionin.

La clau perquè funcioni la fusió (és a dir, perquè àtoms d'una forma pesada de l'hidrogen, coneguda com deuteri, s'uneixin per formar heli alliberant una gran quantitat d'energia en el procés) és mantenir una temperatura i pressió prou altes com per permetre que els àtoms superin la resistència a unir-se. Però diferents tipus de turbulències poden agitar aquesta sopa calenta de partícules i dissipar part de la intensa calor; i un gran problema ha estat comprendre i predir exactament com funciona aquesta turbulència i, per tant, com evitar-la.
Una vella discrepància entre les prediccions i els resultats observats en els reactors de prova es reconeix com el gran problema no resolt a l'hora de comprendre la turbulència que porta a una pèrdua de calor en els reactors de fusió. Resoldre aquesta discrepància és clau per predir el rendiment dels nous reactors de fusió tals com l'ITER, actualment en construcció a França.

Ara, investigadors del Centre de Ciència del Plasma i Fusió del MIT, en col·laboració amb altres de la Universitat de Califòrnia a San Diego, General Atomics i el Laboratori de Física del Plasma a Princeton, diuen haver-ne trobat la clau. En un resultat tan sorprenent que els mateixos investigadors van tenir dificultats a acceptar-lo inicialment, resulta que les interaccions entre la turbulència a l'escala més petita dels electrons, i la turbulència a una escala 60 vegades superior dels ions, pot explicar la misteriosa discrepància entre la teoria i els resultats experimentals.
Les noves troballes es detallen en un parell d'articles que es publiquen a les revistes Nuclear Fusion i AIP Physics of Plasmes, per part del científic investigador del MIT, Nathan Howard; l'estudiant de doctorat Juan Ruiz Ruiz i la catedràtica adjunta en Enginyeria Anne White, al costat d'altres 12 col·laboradors.

"Estic extremadament sorpresa" pels nous resultats, assenyala White. Afegeix que es va necessitar un exhaustiu examen detallat dels resultats de les simulacions per computador, al costat d'una comprovació contra els resultats experimentals, per demostrar que era real un resultat tan il·lògic.

Persistents remolins
La expectatives dels físics durant més d'una dècada eren que la turbulència associada amb els ions (àtoms amb una càrrega elèctrica) era molt més gran que la provocada pels electrons (gairebé dos ordres de magnitud menor) i que aquesta última es veuria completament sobrepassada pels remolins molt més grans. I fins i tot si els remolins menors sobrevisquessin a les pertorbacions de gran escala, segons la idea predominant, aquests remolins a escala electrònica serien tan petits que els seus efectes serien menyspreables.
Les noves troballes demostren que aquesta creença convencional era incorrecta en tots dos aspectes. Les dues escales de turbulència coexisteixen, segons van trobar els investigadors, i interactuen entre si d'una manera tan forta que és impossible comprendre els seus efectes sense incloure ambdós tipus en les simulacions.

No obstant això, es requereix una prodigiosa quantitat de temps de còmput per executar simulacions que abastin unes escales tan àmpliament dispars, explica Howard. Ell és l'autor principal de l'article que detalla aquestes simulacions. Per completar cada simulació es requerien 15 milions d'hores de càlcul dutes a terme per 17 000 processadors al llarg d'un període de 37 dies al National Energy Research Scientific Computing Center - convertint a aquest equip en el major usuari de la instal·lació de l'any. Usant un MacBook Pro comú per realitzar el conjunt complet de sis simulacions que va dur a terme l'equip, segons l'estimació de Howard, s'haurien necessitat 3000 anys.
Però els resultats van ser clars, i sorprenents. Lluny de ser eliminada per la turbulència a gran escala, els minúsculs remolins produïts pels electrons seguien essent clarament visibles en els resultats, estirats en llargs llaços que envoltaven la cambra de buit en forma de rosquilla que caracteritza els reactors de fusió tokamak. Tot i la temperatura de 100 milions de graus Celsius a l'interior del plasma, aquests remolins en forma de llaços, persistien prou com per influir en com es dissipava la calor de la massa giratòria, un factor determinant de quanta fusió pot dur-se a terme a l'interior del detector.

Anteriorment, els científics pensaven que simplement simulant per separat la turbulència en les dues escales de mida i sumant els resultats, tindrien una aproximació prou bona, però seguien trobant discrepàncies entre les prediccions i els resultats reals vistos en els reactors de prova. La nova simulació a múltiple escala, assenyala Howard, encaixa amb els resultats reals amb molta més precisió. Ara, investigadors de General Atomics estan treballant amb aquests resultats per desenvolupar una simulació reestructurada i simplificada que pugui executar-se en un ordinador portàtil corrent, assenyala Howard.

Proves independents

A més de les simulacions teòriques, l'estudiant graduat del MIT Ruiz Ruiz, autor principal del segon article, ha analitzat una sèrie d'experiments en el Princeton Plasma Physics Laboratory, que va proporcionar proves directes de la turbulència a escala d'electrons que dóna suport a les noves simulacions. El resultat ofereix una prova clara i independent que la turbulència a escala electrònica té un paper important, i demostra que és un fenomen general, no un d'específic per a un disseny concret de reactor.

Això es deu al fet que les simulacions de Howard es basen en el reactor tokamak Alcator C-Mod del MIT, mentre que els resultats de Ruiz Ruiz es van prendre en un tipus diferent de reactor conegut com National Spherical Torus Experiment, que té una configuració significativament diferent .

Comprendre els detalls d'aquests diferents mecanismes de turbulència ha estat "un gran desafiament" en el camp de la investigació en fusió, explica White, i aquestes noves conclusions podria millorar molt la comprensió del que realment passa dins dels 10 reactors d'investigació tokamak que hi ha a tot el món, així com en futurs reactors experimentals que estan en construcció o planificats.
"Les proves d'aquests dos articles sobre el fet que el transport d'energia dels electrons en tokamaks té una contribució significativa en les turbulències d'escala electrònica i iònica, i que es necessiten simulacions a diverses escales per predir el transport, són profundament importants", explica Gary Staebler, investigador en General Atomics que no va estar implicat en aquest treball. "Tots dos articles són d'una gran qualitat" diu, i afegeix que "l'execució i anàlisi dels experiments és de primer nivell".
La investigació la va patrocinar el Departament d'Energia dels Estats Units.


Font: PHYSOrg