Un nuevo método para medir la densidad de alta energía del plasma y facilitar la fusión en autoconfinamiento

Newswise: un equipo internacional de científicos ha descubierto una nueva forma de promover la energía de fusión al aumentar la comprensión de las propiedades de la materia densa y cálida, un estado extremo de la materia similar al que se encuentra en los núcleos de planetas gigantes como Júpiter. Los resultados, dirigidos por Sophia Malko del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), detallan una nueva técnica para medir la «fuerza de detención» de las partículas nucleares en el plasma utilizando un láser ultrarrápido de alta repetición. Comprender el poder de frenado del protón es particularmente importante para integrarse en el autoconfinamiento (ICF).

Corriendo sol y estrellas

Este proceso contrasta con la creación de la fusión en PPPL, que calienta el plasma a temperaturas de hasta un millón de grados en instalaciones de confinamiento magnético. El plasma, el estado cargado y caliente de la materia formado por electrones libres y núcleos atómicos o iones, alimenta las reacciones de fusión en ambos tipos de investigación, cuyo objetivo es reproducir la fusión que impulsa al sol y las estrellas como una fuente segura y limpia. y poder casi ilimitado para generar electricidad en el mundo.

La «fuerza de detención» es una fuerza que actúa sobre partículas cargadas debido a la colisión de electrones en el material que resulta en una pérdida de energía. «Por ejemplo, si no conoce el poder de frenado de un protón, no puede calcular la cantidad de energía depositada en el plasma y, por lo tanto, diseñar el láser con el nivel de energía adecuado para crear la ignición por fusión», dijo Malko, autor principal de un artículo de investigación que describe la los resultados en Comunicaciones de la naturaleza. «Las descripciones teóricas de la capacidad de frenado en un material con una alta densidad de energía y especialmente en un material denso cálido difícil, y las mediciones faltan en gran medida», dijo. «Nuestro artículo compara los datos experimentales de la pérdida de energía de un protón en un material cálido y denso con modelos teóricos de apagado».

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los Comunicaciones de la naturaleza La investigación investigó el poder de detener el protón en un sistema en gran parte inexplorado utilizando haces de iones de baja energía y plasmas cálidos y densos producidos por láser. Para producir los iones de baja energía, los investigadores utilizaron un dispositivo magnético especial que selecciona el sistema de energía constante de baja energía de un amplio espectro de protones generado por la interacción láser-plasma. El haz seleccionado luego pasa a través de un material cálido y denso impulsado por láser y se mide su pérdida de energía. La comparación teórica con los datos experimentales mostró que los más cercanos coincidían claramente con los modelos clásicos.

En cambio, el acuerdo más cercano provino de simulaciones de primer principio desarrolladas recientemente basadas en un enfoque mecánico cuántico interactivo o multicuerpo, dijo Malko.

Mediciones de parada precisas

Las mediciones de parada precisas también podrían avanzar en la comprensión de cómo los protones producen lo que se conoce como ignición rápida, un esquema avanzado de la fusión de autoconfinamiento. «En la ignición rápida impulsada por protones, donde los protones tienen que calentar el combustible comprimido desde estados de temperatura muy baja a alta, el poder de frenado del protón y el estado del material están estrechamente relacionados», dijo Malko.

Explicó que «la fuerza de detención depende de la densidad y la temperatura del estado de la materia», las cuales a su vez están influenciadas por la energía depositada por el haz de protones. «En consecuencia, la incertidumbre en el poder de frenado conduce directamente a la incertidumbre en la energía total de protones y láser requerida para la ignición», dijo.

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Malko y su equipo están realizando nuevos experimentos en el Departamento de Energía laserentos en la Universidad Estatal de Colorado para extender sus mediciones a la llamada región del pico de Bragg, donde ocurre la máxima pérdida de energía y donde las predicciones teóricas son inciertas.

Este artículo fue escrito en colaboración por 27 investigadores de los Estados Unidos, España, Francia, Alemania, Canadá e Italia.

El apoyo para este trabajo proviene de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía junto con el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional de Los Álamos (LANL) y de los Ministerios de Europa y España. Los experimentos se llevaron a cabo en las instalaciones de láser VEGA II en España, donde el laboratorio de objetivos alemán GSI prepara y entrega muestras para los objetivos. La informática fue proporcionada por Enterprise Computing y LANL Advanced Scientific Computing Programs.

PPPL, en el Campus Forrestal de la Universidad de Princeton en Plainsboro, Nueva Jersey, se dedica a crear nuevos conocimientos sobre la física del plasma (gases extremadamente calientes y cargados) y a desarrollar soluciones prácticas para crear energía de fusión. El laboratorio es administrado por la universidad para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. y es el mayor partidario de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y trabaja para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para más información visite energía.gov/ciencia.

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