O campo da pesquisa da fusão magnética tem mistérios de sobra. Como confinar combustível de plasma turbulento em uma câmara de vácuo em forma de donut, tornando-o quente e denso o suficiente para que a fusão ocorra, gerou perguntas - e respostas - por décadas.

Como um estudante de pós-graduação sob a direção do Departamento de Ciência Nuclear e Professora de Engenharia Anne White, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.D. 19 ficou intrigado com um mistério de pesquisa de fusão que permaneceu sem solução por 20 anos. Suas novas observações e modelagem subsequente ajudaram a fornecer a resposta, ganhando o Prêmio Del Favero.

O foco de sua tese é a turbulência do plasma, e como o calor é transportado do núcleo quente para a borda do plasma em um tokamak. Experimentos ao longo de 20 anos mostraram que, em certas circunstâncias, resfriar a borda do plasma faz com que o núcleo fique mais quente.

"Quando você resfria a borda do plasma injetando impurezas, o que toda teoria e intuição padrão diria a você é que um pulso frio se propaga, de modo que, eventualmente, a temperatura central também cairá. Mas o que observamos é que, em certas condições, quando baixamos a temperatura da borda, o núcleo ficou mais quente. É uma espécie de aquecimento por resfriamento. "

A observação contra-intuitiva não foi apoiada por nenhuma teoria existente para o comportamento do plasma.

"O fato de que nossa teoria não pode explicar algo que acontece com tanta frequência em experimentos nos faz questionar esses modelos, "Rodriquez-Fernandez diz." Devemos confiar neles para prever o que acontecerá em dispositivos de fusão futuros? "

Esses modelos foram a base para prever o desempenho no tokamak Alcator C-Mod do Centro de Plasma Science e Fusion, que não está mais em operação. Eles são usados ​​atualmente para ITER, a máquina de próxima geração sendo construída na França, e SPARC, o tokamak que o PSFC está buscando com a Commonwealth Fusion Systems.

Para resolver o mistério, Rodriguez-Fernandez aprendeu uma codificação complexa que lhe permitiria executar simulações dos experimentos de resfriamento de borda. Quando ele resfriou manualmente a borda em suas primeiras simulações, Contudo, seus modelos não conseguiram reproduzir o aquecimento central observado nos experimentos reais.

Estudar cuidadosamente os dados dos experimentos do Alcator C-Mod, Rodriguez-Fernandez percebeu que as impurezas injetadas para resfriar o plasma perturbam não apenas a temperatura, mas cada parâmetro, incluindo a densidade.

"Estamos perturbando a densidade porque estamos introduzindo mais partículas no plasma. Eu estava olhando para os dados do Alcator C-Mod e estava vendo o tempo todo esses solavancos na densidade. As pessoas os desconsideram desde sempre."

Com novas perturbações de densidade para introduzir em sua simulação, ele foi capaz de simular o aquecimento central que foi observado em tantos experimentos ao redor do mundo por mais de duas décadas. Essas descobertas se tornaram a base para um artigo em Cartas de revisão física ( PRL )

Para fortalecer sua tese, Rodriguez-Fernandez queria usar o mesmo modelo para prever a resposta ao resfriamento da borda em um tokamak muito diferente - DIII-D em San Diego, Califórnia. No momento, este tokamak não tinha a capacidade de executar tal experimento, mas a equipe do MIT, liderado pelo cientista pesquisador Nathan Howard, instalou um novo sistema de ablação a laser para injetar impurezas e pulsos de frio na máquina. Os experimentos subsequentes executados em DIII-D mostraram que as previsões eram precisas.

"Isso foi mais uma prova de que minha resposta ao mistério e minhas simulações preditivas estavam corretas, "diz Rodriguez-Fernandez." O fato de que podemos reproduzir o aquecimento do núcleo por resfriamento de borda em uma simulação, e para mais de um tokamak, significa que podemos entender a física por trás do fenômeno. E o que é mais importante, isso nos dá a confiança de que os modelos que temos para C-Mod e SPARC não estão errados. "

Rodriquez-Fernandez observa o excelente ambiente colegial no PSFC, bem como uma forte rede de colaboração externa. Seus colaboradores incluem Gary Staebler da General Atomics, casa para DIII-D, que foi o autor do modelo de transporte de Fluido Gyro-Landau Trapped usado em suas simulações; Pesquisadores do Laboratório de Física do Plasma de Princeton Brian Grierson e Xingqiu Yuan, que são especialistas em uma ferramenta de modelagem chamada TRANSP que foi inestimável para seu trabalho; e Clemente Angioni no Instituto Max-Planck de Física do Plasma em Garching, Alemanha, cujos experimentos no tokamak ASDEX Upgrade corroboraram as descobertas do artigo PRL.

Agora um pós-doutorado no PSFC, Rodriguez-Fernandez dedica metade de seu tempo ao SPARC e metade ao DIII-D e atualização ASDEX. Com todos esses projetos, ele está usando as simulações de seu doutorado. tese para desenvolver técnicas para prever e otimizar o desempenho do tokamak.

O pós-doutorado admite que o momento de sua tese não poderia ter sido melhor, justo quando o projeto SPARC estava crescendo. Ele rapidamente se juntou à equipe que está projetando o dispositivo e trabalhando com base na física.

Como parte da cerimônia de 5 de dezembro, onde Rodriguez Fernandez receberá o Prêmio de Tese Del Favero, ele vai discutir como sua pesquisa de tese está conectada a seu trabalho atual em prever o desempenho do SPARC. Estabelecido em 2014 com um presente generoso do ex-aluno James Del Favero SM '84, o prêmio é concedido anualmente a um Ph.D. graduado em NSE, cuja tese é considerada como tendo feito o avanço mais inovador no campo da ciência e engenharia nuclear.

"É muito emocionante, "ele diz." O projeto SPARC realmente me motiva. Eu vejo um futuro aqui para mim, e para a fusão. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.