Inom området magnetisk fusionsforskning finns mysterier att spara. Hur man begränsar turbulent plasmabränsle i en munkformad vakuumkammare, gör det varmt och tätt nog för att fusion ska äga rum, har genererat frågor - och svar - i årtionden.

Som doktorand under ledning av institutionen för kärnvetenskap och teknikprofessor Anne White, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.D. '19 blev fascinerad av ett fusionsforskningsmysterium som hade förblivit olöst i 20 år. Hans nya observationer och efterföljande modellering hjälpte till att ge svaret, tjäna honom Del Favero -priset.

Fokus för hans avhandling är plasmaturbulens, och hur värme transporteras från den heta kärnan till kanten av plasma i en tokamak. Experiment över 20 år har visat att under vissa omständigheter, kylning av plasmakanten resulterar i att kärnan blir varmare.

"När du kyler kanten av plasma genom att injicera föroreningar, vad varje standardteori och intuition skulle säga dig är att en kall puls sprider sig in, så att så småningom även kärntemperaturen kommer att sjunka. Men det vi observerade är att under vissa förhållanden när vi tappar kantens temperatur, kärnan blev varmare. Det är typ av uppvärmning genom att kyla. "

Den kontraintuitiva observationen stöds inte av någon befintlig teori för plasmabeteende.

"Det faktum att vår teori inte kan förklara något som händer så ofta i experiment får oss att ifrågasätta dessa modeller, "Säger Rodriquez-Fernandez." Ska vi lita på att de förutspår vad som kommer att hända i framtida fusionsenheter? "

Dessa modeller var grunden för att förutsäga prestanda i Plasma Science and Fusion Center's Alcator C-Mod tokamak, som inte längre är i drift. De används för närvarande för ITER, nästa generations maskin som byggs i Frankrike, och SPARC, den tokamak PSFC driver med Commonwealth Fusion Systems.

För att lösa mysteriet, Rodriguez-Fernandez lärde sig komplex kodning som skulle tillåta honom att köra simuleringar av kantkylningsexperimenten. När han manuellt kylde kanten i sina tidiga simuleringar, dock, hans modeller misslyckades med att reproducera kärnvärmen som observerades i själva experimenten.

Noggrant studera data från Alcator C-Mod experiment, Rodriguez-Fernandez insåg att föroreningarna som injicerades för att kyla plasma stör inte bara temperaturen, men varje parameter, inklusive densiteten.

"Vi stör tätheten eftersom vi introducerar fler partiklar i plasma. Jag tittade på Alcator C-Mod-data och jag såg hela tiden dessa stötar i densitet. Människor har bortsett från dem för alltid."

Med nya täthetsstörningar att introducera i hans simulering, han kunde simulera kärnvärmen som observerats i så många experiment runt om i världen i mer än två decennier. Dessa fynd blev grunden för en artikel i Fysiska granskningsbrev ( PRL ).

För att stärka sin avhandling, Rodriguez-Fernandez ville använda samma modell för att förutsäga svaret på kantkylning i en helt annan tokamak-DIII-D i San Diego, Kalifornien. Just då, denna tokamak hade inte förmågan att köra ett sådant experiment, men MIT -teamet, ledd av forskare Nathan Howard, installerat ett nytt laserablationssystem för att injicera föroreningar och kalla pulser i maskinen. De efterföljande experimenten som kördes på DIII-D visade att förutsägelserna var korrekta.

"Detta var ytterligare stöd för att mitt svar på mysteriet och mina förutsägande simuleringar var korrekta, "säger Rodriguez-Fernandez." Det faktum att vi kan reproducera kärnvärme genom kantkylning i en simulering, och för mer än en tokamak, betyder att vi kan förstå fysiken bakom fenomenet. Och vad som är viktigare, det ger oss förtroende för att de modeller vi har för C-Mod och SPARC inte har fel. "

Rodriquez-Fernandez noterar den utmärkta kollegiala miljön på PSFC, samt ett starkt externt samarbetsnätverk. Hans medarbetare inkluderar Gary Staebler på General Atomics, hem till DIII-D, som författade Trapped Gyro-Landau Fluid transportmodell som användes för hans simuleringar; Princeton Plasma Physics Laboratory forskare Brian Grierson och Xingqiu Yuan, som är experter på ett modelleringsverktyg som kallas TRANSP som var ovärderligt för hans arbete; och Clemente Angioni vid Max-Planck Institute for Plasma Physics in Garching, Tyskland, vars experiment med ASDEX Upgrade tokamak stödde resultaten från PRL -artikeln.

Nu postdoc på PSFC, Rodriguez-Fernandez ägnar hälften av sin tid åt SPARC och hälften åt DIII-D och ASDEX Upgrade. Med alla dessa projekt, han använder simuleringarna från sin doktorsexamen avhandling för att utveckla tekniker för att förutsäga och optimera tokamaks prestanda.

Postdoc medger att tidpunkten för hans avhandling inte kunde ha varit bättre, precis som SPARC -projektet tog fart. Han gick snabbt med i teamet som designar enheten och arbetar med fysik.

Som en del av ceremonin den 5 december där Rodriguez Fernandez kommer att få Del Favero -avhandlingspriset, han kommer att diskutera hur hans avhandlingsforskning är kopplad till hans nuvarande arbete med att förutsäga SPARC -prestanda. Etablerades 2014 med en generös gåva från alun James Del Favero SM '84, priset delas ut årligen till en doktorsexamen examen i NSE vars avhandling bedöms ha gjort det mest innovativa framsteg inom kärnvetenskap och teknik.

"Det är väldigt spännande, "säger han." SPARC -projektet driver mig verkligen. Jag ser en framtid här för mig, och för fusion. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.