Het veld van onderzoek naar magnetische fusie heeft nog veel mysteries. Hoe turbulente plasmabrandstof op te sluiten in een donutvormige vacuümkamer, waardoor het heet en dicht genoeg is om fusie te laten plaatsvinden, heeft decennialang vragen en antwoorden gegenereerd.

Als een afgestudeerde student onder leiding van professor Anne White van het Department of Nuclear Science and Engineering, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.D. '19 raakte geïntrigeerd door een fusieonderzoeksmysterie dat twintig jaar lang onopgelost was gebleven. Zijn nieuwe observaties en daaropvolgende modellering hielpen het antwoord te geven, hem de Del Favero-prijs opleverde.

De focus van zijn proefschrift ligt op plasmaturbulentie, en hoe warmte wordt getransporteerd van de hete kern naar de rand van het plasma in een tokamak. Experimenten van meer dan 20 jaar hebben aangetoond dat, in bepaalde omstandigheden, door de rand van het plasma af te koelen, wordt de kern heter.

"Als je de rand van het plasma afkoelt door onzuiverheden te injecteren, wat elke standaardtheorie en intuïtie je zou vertellen, is dat een koude puls zich voortplant in, zodat uiteindelijk ook de kerntemperatuur daalt. Maar wat we zagen is dat, in bepaalde omstandigheden wanneer we de temperatuur van de rand verlagen, de kern werd heter. Het is een soort van verwarmen door te koelen."

De contra-intuïtieve observatie werd door geen enkele bestaande theorie voor plasmagedrag ondersteund.

"Het feit dat onze theorie iets dat zo vaak gebeurt in experimenten niet kan verklaren, maakt dat we die modellen in twijfel trekken, " zegt Rodriquez-Fernandez. "Moeten we erop vertrouwen dat ze voorspellen wat er zal gebeuren in toekomstige fusie-apparaten?"

Deze modellen vormden de basis voor het voorspellen van de prestaties in de Alcator C-Mod tokamak van het Plasma Science and Fusion Center, die niet meer in bedrijf is. Ze worden momenteel gebruikt voor ITER, de volgende generatie machine die in Frankrijk wordt gebouwd, en SPARC, de tokamak die de PSFC nastreeft met Commonwealth Fusion Systems.

Om het mysterie op te lossen, Rodriguez-Fernandez leerde complexe codering waarmee hij simulaties van de randkoelingsexperimenten kon uitvoeren. Toen hij de rand handmatig afkoelde in zijn vroege simulaties, echter, zijn modellen slaagden er niet in de kernverwarming te reproduceren die in de feitelijke experimenten werd waargenomen.

Gegevens van Alcator C-Mod-experimenten zorgvuldig bestuderen, Rodriguez-Fernandez realiseerde zich dat de onzuiverheden die worden geïnjecteerd om het plasma te koelen niet alleen de temperatuur verstoren, maar elke parameter, inclusief de dichtheid.

"We verstoren de dichtheid omdat we meer deeltjes in het plasma introduceren. Ik keek naar de Alcator C-Mod-gegevens en ik zag de hele tijd deze hobbels in dichtheid. Mensen hebben ze voor altijd genegeerd."

Met nieuwe dichtheidsverstoringen om in zijn simulatie te introduceren, hij was in staat om de kernverwarming te simuleren die al meer dan twee decennia in zoveel experimenten over de hele wereld was waargenomen. Deze bevindingen vormden de basis voor een artikel in Fysieke beoordelingsbrieven ( PRL ).

Om zijn proefschrift kracht bij te zetten, Rodriguez-Fernandez wilde hetzelfde model gebruiken om de reactie op randkoeling te voorspellen in een heel andere tokamak - DIII-D in San Diego, Californië. Destijds, deze tokamak had niet de mogelijkheid om zo'n experiment uit te voeren, maar het MIT-team, onder leiding van onderzoekswetenschapper Nathan Howard, installeerde een nieuw laserablatiesysteem voor het injecteren van onzuiverheden en koude pulsen in de machine. De daaropvolgende experimenten die op DIII-D werden uitgevoerd, toonden aan dat de voorspellingen nauwkeurig waren.

"Dit was een verdere ondersteuning dat mijn antwoord op het mysterie en mijn voorspellende simulaties correct waren, ", zegt Rodriguez-Fernandez. "Het feit dat we kernverwarming kunnen reproduceren door randkoeling in een simulatie, en voor meer dan één tokamak, betekent dat we de fysica achter het fenomeen kunnen begrijpen. En wat belangrijker is, het geeft ons het vertrouwen dat de modellen die we hebben voor C-Mod en SPARC niet verkeerd zijn."

Rodriquez-Fernandez wijst op de uitstekende collegiale sfeer bij de PSFC, evenals een sterk extern samenwerkingsnetwerk. Zijn medewerkers zijn onder andere Gary Staebler bij General Atomics, thuishaven van DIII-D, die de auteur was van het Trapped Gyro-Landau Fluid-transportmodel dat voor zijn simulaties werd gebruikt; Princeton Plasma Physics Laboratory-onderzoekers Brian Grierson en Xingqiu Yuan, die experts zijn in een modelleringstool genaamd TRANSP die van onschatbare waarde was voor zijn werk; en Clemente Angioni van het Max-Planck Instituut voor Plasmafysica in Garching, Duitsland, wiens experimenten op de ASDEX Upgrade tokamak de bevindingen uit het PRL-artikel ondersteunden.

Nu een postdoc bij de PSFC, Rodriguez-Fernandez besteedt de helft van zijn tijd aan SPARC en de andere helft aan DIII-D en ASDEX Upgrade. Met al deze projecten hij gebruikt de simulaties van zijn Ph.D. scriptie om technieken te ontwikkelen voor het voorspellen en optimaliseren van tokamak-prestaties.

De postdoc geeft toe dat de timing van zijn proefschrift niet beter had gekund, net toen het SPARC-project op gang kwam. Hij voegde zich al snel bij het team dat het apparaat ontwerpt en werkt aan de fysica.

Als onderdeel van de ceremonie van 5 december, waar Rodriguez Fernandez de Del Favero Thesis Prize zal ontvangen, hij zal bespreken hoe zijn scriptieonderzoek is verbonden met zijn huidige werk over het voorspellen van SPARC-prestaties. Opgericht in 2014 met een genereuze gift van aluin James Del Favero SM '84, de prijs wordt jaarlijks toegekend aan een Ph.D. afgestudeerd in NSE wiens proefschrift wordt beoordeeld als de meest innovatieve vooruitgang op het gebied van nucleaire wetenschap en techniek.

"Het is erg spannend, " zegt hij. "Het SPARC-project drijft me echt. Ik zie hier een toekomst voor mij, en voor fusie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.