Física de la auto-organización en plasmas de fusión nuclear: evidencia de viscosidad negativa en el stellarator TJ-II

Las reacciones de fusión son las que liberan la energía que alimenta el sol y las estrellas. Para que pueda ocurrir la fusión, los núcleos reaccionantes deben vencer la repulsión electrostática y acercarse lo suficiente como para permitir que entre en juego la fuerza nuclear atractiva. La comunidad científica internacional trabaja en distintas alternativas, con diferente grado de desarrollo, hacia la realización práctica de la energía de fusión. En el caso de la estrategia basada en el confinamiento magnético se requiere calentar los núcleos reaccionantes a temperaturas unas 15 veces mayores que la del centro del Sol (estimada en unos 15 millones de grados) y aislarlos térmicamente del ambiente circundante mediante un intenso campo magnético (del orden de 5-7 T, es decir, unas 100.000 veces el campo magnético terrestre).

La materia a esas temperaturas extremas consiste en un gas altamente ionizado llamado plasma. La realización de energía viable de fusión nuclear requiere soluciones para una serie de problemas científicos y tecnológicos de enorme envergadura que se describen el plan estratégico Europeo hacía la consecución de la fusión nuclear [1]. Los principales desafíos pendientes en la fusión nuclear incluyen la integración y optimización de criterios de física y tecnología. Desde el punto de vista de la física de plasmas se requiere confinar eficientemente un plasma en ignición; es decir, suficientemente reactivo como para producir sustancialmente más energía que la consumida en el proceso de generación del plasma.

La resistencia de los fluidos al movimiento con gradientes en su velocidad de propagación es bien conocida. La tendencia del movimiento con cizalla (es decir, con gradientes) a reducirse con el paso del tiempo una vez que se desactivan las fuerzas externas, conduce al concepto de coeficiente de viscosidad positivo.

Fig. 1 – La estructura de la atmósfera joviana, con la presencia de macro-estructuras zonales, parece desafiar la mecánica de fluidos [2].

El efecto inverso (es decir, la viscosidad negativa) implica la generación espontánea de gradientes de velocidad, algo que parece estar en contra del sentido común. Sin embargo, para cierto tipo de sistemas y en condiciones alejadas del equilibrio termodinámico (por ejemplo la atmósfera de planetas [2] y los plasmas) hay evidencias de efectos de viscosidad negativa [Fig. 1]. En este caso, el flujo medio puede ganar energía cinética de la turbulencia con un impacto directo en el desarrollo de gradientes en la velocidad  de propagación y en la estabilidad del sistema. Este mecanismo puede desempeñar un papel esencial en el comportamiento de plasmas de fusión nuclear.

El singular sistema experimental desarrollado en el stellarator TJ-II del CIEMAT ha permitido estudiar y mostrar evidencia experimental de procesos de auto-organización consistentes con el concepto de viscosidad negativa. Recientes experimentos, desarrollados en el marco de una intensa colaboración internacional, han demostrado la influencia de las condiciones de calentamiento del plasma [3], el papel entrelazado entre turbulencia y órbitas de partículas [4] y la influencia de la masa isotópica [5] en la dinámica [6] y propiedades de los procesos de auto-organización en plasmas de fusión nuclear [Fig. 2].

Fig. 2 – Estructura radial de macro-estructuras zonales en plasmas mantenidos con sistemas de calentamiento a la frecuencia ciclotrónica resonante de los electrones [ECRH; a / b] y con calentamiento mediante haces de partículas energéticas [NBI; c / d] en el stellarator TJ-II. Las regiones con colores azul y rojo ilustran flujos con propagación en sentidos opuestos [es decir, con gradientes radiales]. Obsérvese como la anchura de estas macro-estructuras se estrecha al transitar de plasmas ECRH a plasmas NBI [3].

Referencias

[1] A road to fusion electricity [Eurofusion]

[2] El enigma de las bandas de Júpiter, Simon Cabanes, Benjamin Favier y Michael Le Bars, Investigación y Ciencia 496, 82 (2018).

[3] Frequency and plasma condition dependent spatial structure of low frequency global potential oscillations in the TJ-II stellarator, T. Kobayashi, U. Losada, B. Liu, T. Estrada, B.Ph. van Milligen, R. Gerrú, M. Sasaki and C. Hidalgo,   Nuclear Fusion 59, 044006 (2019)

[4] On the interplay between turbulent forces and neoclassical particle losses in zonal flow dynamics R. Gerrú, S. Mulas, U. Losada, F. Castejón, B. Liu, T. Estrada, B.Ph. van Milligen and C. Hidalgo, Nuclear Fusion 59 106054 (2019)

[5] Spatial characterization of Zonal Flows in the TJ-II stellarator: Role of plasma heating and isotope mass, U. Losada et al., en preparación [2020].

[6] Observation of Oscillatory Radial Electric Field Relaxation in a Helical Plasma, J. A. Alonso, E. Sánchez, I. Calvo, J. L. Velasco, K. J. McCarthy, A. Chmyga, L. G. Eliseev, T. Estrada, R. Kleiber, L. I. Krupnik, A. V. Melnikov, P. Monreal, F. I. Parra, S. Perfilov, and A. I. Zhezhera (the TJ-II Team) Phys. Rev. Lett. 118, 185002 (2017)

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