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Artículo publicado por David L. Chandler el 21 de enero de 2016 en MIT News

Al resolver un viejo misterio, los experimentos del MIT revelan dos formas de turbulencias interactuando entre sí.

Uno de los mayores obstáculos para hacer que la energía de fusión sea práctica — y hacer realidad su promesa de una energía virtualmente sin límite y relativamente limpia — ha sido que los modelos por computador no han sido capaces de predecir cómo se comporta el gas caliente y eléctricamente cargado dentro de un reactor de fusión bajo el intenso calor y presión requerido para que los átomos se fusionen.

La clave para que funcione la fusión — es decir, para que átomos de una forma pesada del hidrógeno, conocida como deuterio, se unan para formar helio liberando una gran cantidad de energía en el proceso — es mantener una temperatura y presión lo bastante altas como para permitir que los átomos superen la resistencia a unirse. Pero distintos tipos de turbulencias pueden agitar esta sopa caliente de partículas y disipar parte del intenso calor, y un gran problema ha sido comprender y predecir exactamente cómo funciona esta turbulencia y, por consiguiente, cómo evitarla.

ITER

ITER

Una vieja discrepancia entre las predicciones y los resultados observados en los reactores de prueba se ha conocido como “el gran problema no resuelto” a la hora de comprender la turbulencia que lleva a una pérdida de calor en los reactores de fusión. Resolver esta discrepancia es clave para predecir el rendimiento de los nuevos reactores de fusión tales como el ITER, actualmente en construcción en Francia.

Ahora, investigadores del Centro de Ciencia del Plasma y Fusión del MIT, en colaboración con otros de la Universidad de California en San Diego, General Atomics, y el Laboratorio de Física del Plasma en Princeton, dicen haber encontrado la clave. En un resultado tan sorprendente que los propios investigadores tuvieron dificultades en aceptarlo inicialmente, resulta que las interacciones entre la turbulencia a la escala más pequeña, de los electrones, y la turbulencia a una escala 60 veces superior, de los iones, puede explicar la misteriosa discrepancia entre la teoría y los resultados experimentales.

Los nuevos hallazgos se detallan en un par de artículos que se publican en las revistas Nuclear Fusion y AIP Physics of Plasmas, por parte del científico investigador del MIT Nathan Howard, el estudiante de doctorado Juan Ruiz Ruiz, y la Catedrática Adjunta Cecil and Ida Green en Ingeniería Anne White, junto a otros 12 colaboradores.

“Estoy extremadamente sorprendida” por los nuevos resultados, señala White. Añade que se necesitó un exhaustivo examen detallado de los resultados de las simulaciones por computador, junto a una comprobación contra los resultados experimentales, para demostrar que era real un resultado tan ilógico.

Persistentes remolinos

La expectativas de los físicos durante más de una década eran que la turbulencia asociada con los iones (átomos con una carga eléctrica) era mucho mayor que la provocada por los electrones — casi dos órdenes de magnitud menor — y que esta última se vería completamente sobrepasada por los remolinos mucho mayores. E incluso si los remolinos menores sobreviviesen a las perturbaciones de gran escala, según la idea predominante, estos remolinos a escala electrónica serían tan pequeños que sus efectos serían despreciables.

Los nuevos hallazgos demuestran que esta creencia convencional era incorrecta en ambos aspectos. Las dos escalas de turbulencia coexisten, según hallaron los investigadores, e interactúan entre sí de una forma tan fuerte que es imposible comprender sus efectos sin incluir ambos tipos en las simulaciones.

Sin embargo, se requiere una prodigiosa cantidad de tiempo de cómputo para ejecutar simulaciones que abarquen unas escalas tan ampliamente dispares, explica Howard, que es el autor principal del artículo que detalla estas simulaciones. Para completar cada simulación se requerían 15 millones de horas de cálculo, llevadas a cabo por 17 000 procesadores a lo largo de un periodo de 37 días en el National Energy Research Scientific Computing Center — convirtiendo a este equipo en el mayor usuario de la instalación del año. Usando un MacBook Pro común para realizar el conjunto completo de seis simulaciones que llevó a cabo el equipo, según la estimación de Howard, se habrían necesitado 3000 años.

Pero los resultados fueron claros, y asombrosos. Lejos de ser eliminada por la turbulencia a gran escala, los minúsculos remolinos producidos por los electrones seguían siendo claramente visibles en los resultados, estirados en largos lazos que envolvían la cámara de vacío en forma de rosquilla que caracteriza a los reactores de fusión tokamak. A pesar de la temperatura de 100 millones de grados Celsius en el interior del plasma, estos remolinos en forma de lazos persistían lo suficiente como para influir en cómo se disipaba el calor de la masa giratoria — un factor determinante en cuánta fusión puede llevarse a cabo en el interior del detector.

Anteriormente, los científicos pensaban que simplemente simulando por separado la turbulencia en las dos escalas de tamaño, y sumando los resultados, tendrían una aproximación lo bastante buena, pero seguían encontrando discrepancias entre las predicciones y los resultados reales vistos en los reactores de prueba. La nueva simulación a múltiple escala, señala Howard, encaja con los resultados reales con mucha mayor precisión. Ahora, investigadores de General Atomics están trabajando con estos resultados para desarrollar una simulación reestructurada y simplificada que pueda ejecutarse en un ordenador portátil corriente, señala Howard.

Pruebas independientes

Además de las simulaciones teóricas, el estudiante graduado del MIT Ruiz Ruiz, autor principal del segundo artículo, ha analizado una serie de experimentos en el Princeton Plasma Physics Laboratory, que proporcionó pruebas directas de la turbulencia a escala de electrones que apoya las nuevas simulaciones. El resultado ofrece una prueba clara e independiente de que la turbulencia a escala electrónica desempeña un papel importante, y demuestra que es un fenómeno general, no uno específico para un diseño concreto de reactor.

Esto se debe a que las simulaciones de Howard se basan en el reactor tokamak Alcator C-Mod del MIT, mientras que los resultados de Ruiz Ruiz se tomaron en un tipo distinto de reactor conocido como National Spherical Torus Experiment, que tiene una configuración significativamente distinta.

Comprender los detalles de estos distintos mecanismos de turbulencia ha sido “un gran desafío” en el campo de la investigación en fusión, explica White, y estas nuevas conclusiones podría mejorar mucho la comprensión de lo que realmente sucede dentro de los 10 reactores de investigación tokamak que existen en todo el mundo, así como en futuros reactores experimentales que están en construcción o planificados.

“Las pruebas de estos dos artículos sobre que el transporte de energía de los electrones en tokamaks tiene una contribución significativa en las turbulencias de escala electrónica e iónica, y que se necesitan simulaciones a varias escalas para predecir el transporte, son profundamente importantes”, explica Gary Staebler, investigador en General Atomics que no estuvo implicado en este trabajo. “Ambos artículos son de una gran calidad”, añade. “La ejecución y análisis de los experimentos es de primer nivel”.

La investigación fue patrocinada por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.

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