Il campo della ricerca sulla fusione magnetica ha misteri da svelare. Come confinare il turbolento combustibile al plasma in una camera a vuoto a forma di ciambella, rendendolo caldo e sufficientemente denso da consentire la fusione, ha generato domande e risposte per decenni.

Come studente laureato sotto la direzione della Professoressa Anne White del Dipartimento di Scienze Nucleari e Ingegneria, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.D. '19 è stato incuriosito da un mistero della ricerca sulla fusione rimasto irrisolto per 20 anni. Le sue nuove osservazioni e la successiva modellazione hanno contribuito a fornire la risposta, guadagnandogli il Premio Del Favero.

Il focus della sua tesi è la turbolenza plasmatica, e come il calore viene trasportato dal nucleo caldo al bordo del plasma in un tokamak. Esperimenti di oltre 20 anni hanno dimostrato che, in determinate circostanze, il raffreddamento del bordo del plasma fa sì che il nucleo diventi più caldo.

"Quando raffreddi il bordo del plasma iniettando impurità, quello che ogni teoria e intuizione standard ti direbbe è che un impulso freddo si propaga in, in modo che alla fine anche la temperatura interna diminuirà. Ma quello che abbiamo osservato è che, in determinate condizioni quando abbassiamo la temperatura del bordo, il nucleo è diventato più caldo. È una specie di riscaldamento per raffreddamento."

L'osservazione controintuitiva non era supportata da alcuna teoria esistente sul comportamento del plasma.

"Il fatto che la nostra teoria non possa spiegare qualcosa che accade così spesso negli esperimenti ci fa mettere in discussione quei modelli, " Dice Rodriquez-Fernandez. "Dovremmo fidarci di loro per prevedere cosa accadrà nei futuri dispositivi di fusione?"

Questi modelli sono stati la base per prevedere le prestazioni del tokamak Alcator C-Mod del Plasma Science and Fusion Center, che non è più in funzione. Sono attualmente utilizzati per ITER, la macchina di nuova generazione in costruzione in Francia, e SPARC, il tokamak che la PSFC sta perseguendo con i Commonwealth Fusion Systems.

Per risolvere il mistero, Rodriguez-Fernandez ha appreso una codifica complessa che gli avrebbe consentito di eseguire simulazioni degli esperimenti di raffreddamento dei bordi. Quando ha raffreddato manualmente il bordo nelle sue prime simulazioni, però, i suoi modelli non sono riusciti a riprodurre il riscaldamento del nucleo osservato negli esperimenti reali.

Studiando attentamente i dati degli esperimenti Alcator C-Mod, Rodriguez-Fernandez si rese conto che le impurità iniettate per raffreddare il plasma perturbano non solo la temperatura, ma ogni parametro compresa la densità.

"Stiamo perturbando la densità perché stiamo introducendo più particelle nel plasma. Stavo guardando i dati di Alcator C-Mod e vedevo continuamente questi aumenti di densità. La gente li ha ignorati per sempre".

Con nuove perturbazioni di densità da introdurre nella sua simulazione, è stato in grado di simulare il riscaldamento del nocciolo che era stato osservato in così tanti esperimenti in tutto il mondo per più di due decenni. Questi risultati sono diventati la base per un articolo in Lettere di revisione fisica ( PRL ).

Per rafforzare la sua tesi, Rodriguez-Fernandez voleva utilizzare lo stesso modello per prevedere la risposta al raffreddamento dei bordi in un tokamak molto diverso:DIII-D a San Diego, California. Al tempo, questo tokamak non aveva la capacità di eseguire un simile esperimento, ma il team del MIT, guidato dal ricercatore Nathan Howard, installato un nuovo sistema di ablazione laser per l'iniezione di impurità e impulsi freddi nella macchina. I successivi esperimenti eseguiti su DIII-D hanno mostrato che le previsioni erano accurate.

"Questo è stato un ulteriore supporto che la mia risposta al mistero e le mie simulazioni predittive erano corrette, " afferma Rodriguez-Fernandez. "Il fatto che possiamo riprodurre il riscaldamento del nucleo mediante il raffreddamento dei bordi in una simulazione, e per più di un tokamak, significa che possiamo capire la fisica dietro il fenomeno. E ciò che è più importante, ci dà la certezza che i modelli che abbiamo per C-Mod e SPARC non siano sbagliati."

Rodriquez-Fernandez nota l'eccellente ambiente collegiale al PSFC, così come una forte rete di collaborazione esterna. I suoi collaboratori includono Gary Staebler alla General Atomics, sede di DIII-D, l'autore del modello di trasporto del fluido Trapped Gyro-Landau utilizzato per le sue simulazioni; I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory Brian Grierson e Xingqiu Yuan, che sono esperti in uno strumento di modellazione chiamato TRANSP che è stato prezioso per il suo lavoro; e Clemente Angioni al Max-Planck Institute for Plasma Physics a Garching, Germania, i cui esperimenti sul tokamak di aggiornamento ASDEX hanno supportato i risultati dell'articolo PRL.

Ora un postdoc al PSFC, Rodriguez-Fernandez dedica metà del suo tempo a SPARC e metà a DIII-D e ASDEX Upgrade. Con tutti questi progetti, sta usando le simulazioni del suo dottorato. tesi per sviluppare tecniche per la previsione e l'ottimizzazione delle prestazioni del tokamak.

Il postdoc ammette che il tempismo della sua tesi non avrebbe potuto essere migliore, proprio mentre il progetto SPARC stava crescendo. Si è unito rapidamente al team che sta progettando il dispositivo e lavorando sulle basi fisiche.

Nell'ambito della cerimonia del 5 dicembre in cui Rodriguez Fernandez riceverà il Premio di tesi Del Favero, discuterà il modo in cui la sua ricerca di tesi è collegata al suo attuale lavoro sulla previsione delle prestazioni SPARC. Fondata nel 2014 con un generoso dono dell'allume James Del Favero SM '84, il premio viene assegnato annualmente a un dottorato di ricerca. laureato in NSE la cui tesi è giudicata aver compiuto il progresso più innovativo nel campo della scienza e dell'ingegneria nucleare.

"È molto eccitante, " dice. "Il progetto SPARC mi spinge davvero. Vedo un futuro qui per me, e per la fusione".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.