Iones rápidos en reactores de fusión y
En los plasmas, los "surfistas" pueden ser iones muy rápidos que pueden aparecer en dispositivos de fusión nuclear como resultado de reacciones de fusión u otros procesos utilizados para calentar el plasma. Estos iones rápidos a menudo hacen lo contrario de lo que hacen los surfistas en el océano: proporcionan energía a las olas, haciéndolas más grandes. A medida que las partículas resonantes intercambian energía con las ondas, también son exprimidas por otras partículas en el plasma mediante colisiones aleatorias.
El tipo y la frecuencia de estas colisiones determinan el tamaño de las ondas y cuánto se sacuden las partículas. Si las olas son demasiado grandes o excesivas, pueden expulsar las partículas de surf del dispositivo, lo que podría causar peligro a las paredes y al mismo tiempo reducir la cantidad de energía de fusión producida.
Desafíos del reactor de fusión
El plasma en un reactor de fusión debe calentarse constantemente para mantener la temperatura necesaria para producir energía. Sin embargo, los iones rápidos que calientan el plasma también resuenan con las ondas del plasma. Esto hace que estas ondas crezcan y potencialmente expulsen iones rápidos del dispositivo.
Los investigadores deben comprender las interacciones resonantes entre los iones rápidos y las ondas de plasma para predecir y mitigar cualquier efecto adverso. El estudio combina cálculos matemáticos con simulaciones por computadora para revelar cómo diferentes tipos de colisiones compiten para determinar cómo se transfiere la energía entre partículas resonantes y ondas de plasma.
Los investigadores están utilizando estos nuevos conocimientos para desarrollar modelos sobre cómo mantener el plasma lo suficientemente caliente para sostener reacciones de fusión nuclear. El problema del plasma de partículas de onda resonante también está relacionado con ciertas interacciones gravitacionales en las galaxias. Esto significa que los métodos del proyecto podrían aplicarse a la investigación astrofísica, incluida la investigación sobre la materia oscura.
Comprender las colisiones rápidas de iones
En los experimentos de fusión nuclear, los iones rápidos transfieren su energía al plasma de fondo al chocar con electrones, manteniendo así el plasma lo suficientemente caliente para la fusión nuclear. Hay dos tipos diferentes de colisiones: dispersión difusiva y arrastre convectivo. Las colisiones de difusión son el mismo tipo de dispersión de bolas de billar en una mesa de billar. Al mismo tiempo, sientes el golpe de arrastre cuando sacas la mano por la ventana de un automóvil en movimiento.
Dependiendo de la velocidad de los iones rápidos y de la temperatura del plasma, cada colisión tendrá un mayor impacto en el comportamiento de los iones rápidos. En concreto, cuanto mayor es la velocidad de los iones rápidos, mayor es la resistencia y cuanto mayor es la temperatura del plasma, más favorable es la difusión.
Si bien los iones rápidos calientan el plasma de fondo mediante colisiones, también resuenan con ondas de plasma que disipan su energía, enfriando potencialmente el plasma. En ausencia de colisiones, la resonancia entre iones rápidos y ondas sólo se produce cuando la velocidad de la partícula coincide exactamente con la velocidad de la onda.
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que las colisiones difusivas funcionan para "borrar" resonancias, intercambiando efectivamente energía con la onda incluso si las partículas se mueven ligeramente más rápido o más lento que la onda. El nuevo hallazgo de este estudio es que cuando hay resistencia, esta colisión cambia la velocidad a la que se produce la resonancia, lo que significa que el intercambio de energía es en realidad más eficiente cuando las velocidades de los iones rápidos y las ondas de plasma son muy diferentes.
El papel de la función de resonancia.
En el estudio, los investigadores caracterizaron la fuerza de las interacciones onda-partícula utilizando un objeto matemático llamado función de resonancia, que depende de la diferencia entre la velocidad de la onda y la velocidad de la partícula.
Cuando las colisiones por arrastre ocurren con más frecuencia que las colisiones por difusión, ocurre un fenómeno aún más extraño: la transferencia eficiente de energía se hace posible a velocidades completamente nuevas. En realidad, este fenómeno crea nuevas resonancias que no existirían en absoluto sin resistencia, manifestándose como nuevos picos en la función de resonancia y ampliando el rango de interacciones resonantes.
La función de resonancia, que se deriva enteramente de la teoría, determina qué tan grandes serán las ondas después de que se recolecte energía libre de los iones rápidos resonantes, y también determina cómo las ondas impulsarán estas partículas. Los resultados de la simulación por computadora no lineal concuerdan excelentemente con las predicciones teóricas, lo que confirma que la función de resonancia derivada es válida para cualquier combinación de las dos colisiones y profundiza nuestra comprensión fundamental de cómo las colisiones afectan la interacción de las ondas resonantes con las partículas en los plasmas.
Una vez validada la teoría básica, ahora se puede utilizar con confianza para mejorar los códigos utilizados para simular el comportamiento de los iones rápidos en dispositivos de fusión, un paso crítico en el camino hacia el desarrollo de plantas de energía de fusión comerciales.
Compilado de /ScitechDaily