La saturación turbulenta en plasmas explica los pulsos fríos en tokamaks

Dibujo20180221 cold-pulse dynamics explanation by MIT integratedsimulation mit news

Su llama pulso frío al incremento rápido de la temperatura en el centro de un plasma confinado debido a un enfriamiento en su borde externo. Este fenómeno se ha observado en tokamaks y stellarators desde 1994 para plasmas de baja densidad. El fenómeno es tan rápido que en 1997 se propuso que su origen era el transporte no local en el plasma. Se publica en Physical Review Letters la primera explicación para tokamaks usando un modelo de transporte local. Las simulaciones por ordenador reproducen el fenómeno si se usa un nuevo modelo para la saturación en régimen turbulento propuesto en 2016, basado en la mezcla por flujo zonal en lugar de por cizalla (shear). Además, predicen que también se dará en plasmas de alta densidad (algo aún no observado en los experimentos).

Muchos medios españoles se han hecho eco de este trabajo porque el primer autor del artículo es Pablo Rodríguez Fernández [web], doctorando en el MIT bajo la supervisión de Anne White. Titulares como “Solución ‘española’ a un problema de 20 años en fusión nuclear”, Europa Press, 19 Feb 2018, o “Este joven ingeniero español acaba de resolver un problema que lleva más de 20 años frenando la fusión nuclear”, Xataka, 21 Feb 2018, han generado cierto revuelo en redes. Las simulaciones por ordenador mediante el código TGLF-SAT1 (desarrollado en 2016) explican la dinámica de los pulsos fríos, algo que no explicaba el código TGLF-SAT0 (desarrollado en 2007). Te recuerdo que para la simulación de plasmas en tokamaks se suele usar un código basado en el modelo TGLF (Trapped Gyro-Landau Fluid); para describir el régimen turbulento se usa un modelo empírico para la transferencia de energía entre modos altos (high-k) y bajos (low-k), la llamada regla de saturación.

Varios me habéis preguntado si este logro allana el camino hacia la fusión nuclear. En mi opinión se trata de un resultado científico básico interesante, pues la simulación de los plasmas con modelos de transporte local es más sencilla que con modelos no locales, pero su impacto en el camino hacia la fusión es muy limitado. Por desgracia, estamos igual de lejos de la fusión nuclear ahora que en 1997 (cuando se descubrieron los pulsos fríos). Hay muchos fenómenos en los plasmas que no explican las simulaciones por ordenador, aunque van mejorando poco a poco; por ello es fundamental estudiar los plasmas en reactores experimentales como ITER. Por ahora, el único camino firme hacia la fusión nuclear comercial son los estudios experimentales.

El artículo es P. Rodriguez-Fernandez, A. E. White, …, F. Sciortino, “Explaining Cold-Pulse Dynamics in Tokamak Plasmas Using Local Turbulent Transport Models,” Phys. Rev. Lett. 120: 075001 (16 Feb 2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.120.075001. La regla de saturación SAT1 fue desarrollada en G. M. Staebler, J. Candy, …, C. Holland, “The role of zonal flows in the saturation of multi-scale gyrokinetic turbulence,” Physics of Plasmas 23: 062518 (2016), doi: 10.1063/1.4954905, y G. M. Staebler, N. T. Howard, …, C. Holland, “A model of the saturation of coupled electron and ion scale gyrokinetic turbulence,” Nuclear Fusion 57: 066046 (2017), doi: 10.1088/1741-4326/aa6bee.

Los pulsos fríos se han observado en todos los tokamaks y stellerators desde 1994 (como TEXT, TFTR, Tore Supra, RTP, ASDEX Upgrade, JET, LHD, HL-2A, Alcator C-Mod y KSTAR). También se observarán en Wendelstein 7-X e ITER. La nueva explicación teórica (basada en un modelo fenomenológico para el régimen turbulento) se aplica solo a tokamaks. Futuros estudios tendrán que desvelar si también aplica a stellerators (y además habrá que entender en detalle los principios físicos que subyacen a dicha regla de saturación). Por supuesto, que efectos locales expliquen este fenómeno no implica, ni mucho menos, que no haya que recurrir a efectos no locales para explicar otros fenómenos en los plasmas confinados. En opinión de la mayoría de los expertos, las simulaciones por ordenador más fiables de los futuros reactores de fusión tendrán que incorporar efectos no locales en el transporte en régimen turbulento del plasma.

Dibujo20180221 evolution edge and core electron temperature phys rev lett 120 075001

Un punto importante que me gustaría destacar es que los resultados de las nuevas simulaciones por ordenador explican las características cualitativas de la dinámica de los pulsos fríos, pero todavía están lejos de cuantificarlas con precisión. Esta figura muestra la evolución en el tiempo de la temperatura de los electrones en el plasma durante un pulso frío, para una plasma de baja densidad (izquierda) y de alta densidad (derecha); en azul se muestra la temperatura en el borde y en rojo la temperatura en el centro. Las curvas suaves son los resultados teóricos y las curvas irregulares las medidas experimentales (obtenidas por emisión ciclotrón de los electrones, ECE). Queda mucho trabajo computacional hasta que se logre que ambas curvas se ajusten como nos gustaría.

En resumen, un trabajo de investigación en física computacional de plasmas confinados muy interesante, pero que ha llegado a noticia porque su primer autor es un joven español emigrado en EE.UU. Si el trabajo no hubiera estado firmado por un español, casi seguro que hubiera pasado sin pena ni gloria por los medios de nuestro país, como la mayoría de los artículos que se publican en Physical Review Letters. Los avances teóricos en la física de plasmas son muy relevantes, pero lo que marca la dirección de este campo son los avances experimentales. Hasta que ITER entre en funcionamiento pocos avances en esta área merecerán gran eco mediático.


8 Comentarios

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KiKi

Gracias Francis, una lastima que hayas confirmado mis suposiciones sobre la noticia, jejeje.

Saludos!

miguelmiguel

Muchas gracias. Cuando lo leí pensé lo mismo, que porque era español, sino ni nos enteramos.

El ITER al final parece el futuro; pero había leído que experimentos de Sandia con confinamiento inercial habían logrado energía neta positiva ¿por qué se paró este camino?. Lo único que saqué en claro es que al ser una instalación militar (creo que para simulaciones de armas nucleares) el tiempo era limitado.

Y en segundo lugar, con el dinero que llevamos “””tirado””” solamente en este país, ya podían ponerse todos las pilas y si es por dinero, gastarlo porque el tiempo se acaba.

Francisco R. Villatoro

Miguel, el NIF no ha logrado Q>1 (energía neta positiva), solo logró el breakthrough (que el combustible generara energía positiva, pero muy inferior a la necesaria para provocarlo, ya que las pérdidas fueron enormes). Se sigue trabajando con el NIF, siendo el objetivo lograr Q>1 “pronto” (pero hay muchos problemas que se saben resolver y “pronto” puede ser mucho tiempo).

miguelmiguel

Upps, yo pensaba que se logró más energía que la aportada (igual fue por pérdidas en la instalación), pero juraría que leí que la ganancia de la fusión fue positiva … la verdad es que hace yo como tres o cuatro años, y desde entonces nada. Muchas gracias Francis.

Francisco R. Villatoro

Miguel, Q>1 solo se ha obtenido en JET. Ningún otro reactor de fusión lo ha logrado. De hecho, el breakeven de NIF fue vendido como un breakthrough en algunos medios, incluso se sugirió que fue un Q>1 (ignición), pero entre los expertos hay muchas dudas sobre si se logró dicho hito. No sé si has leído “Duro varapalo a NIF y la fusión por confinamiento inercial mediante láser”, LCMF, 24 Jun 2016.

miguelmiguel

Hace ya casi 5 años, como pasa el tiempo. Me refería a esta noticia:
http://www.bbc.com/mundo/noticias/20...sion_nif_ch
Luego leí algo como que el NIF no podría dedicar bastante tiempo (vamos lo que comentaba arriba). Luego siempre he leido que el confinamiento magnético era la solución y la vía del NIF se abandonaba. todo claro.

Muchas gracias.

Francisco R. Villatoro

Miguel, la noticia de BBC Mundo dice: “NIF (…) logra un hito fundamental (…) durante un experimento realizado a finales de septiembre, la cantidad de energía liberada por la reacción de fusión superó por primera vez la cantidad de energía absorbida. (…) El objetivo oficial del NIF es la “ignición”, un paso más allá de lo conseguido ahora, y que se lograría en el el momento en que la fusión nuclear genere tanta energía como la que suministran los láseres”. Por tanto, dice que no se ha logrado la ignición (Q>1), sino otra cosa llamada breakeven en la jerga, que está considerado todo un breakthrough en un reactor de fusión, de ahí que se hable de un hito fundamental en dicha noticia. ¿Cuándo logrará NIF la ignición? Nadie lo sabe.

miguelmiguel

Y gracias por el enlace … se me pasó 🙁 en su momento.

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