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    Chiarire l'oscillazione del plasma da particelle ad alta energia

    Le particelle ad alta energia LHD circolano all'interno di un plasma che ha la forma di una ciambella attorcigliata, e causano oscillazioni del plasma. In particolare, quando il periodo della circolazione e quello dell'oscillazione del plasma coincidono, l'ampiezza dell'oscillazione cresce. Credito:Dr. Yasushi Todo

    Il National Institute for Fusion Science ha sviluppato un nuovo codice in grado di simulare il movimento del plasma e, contemporaneamente, il movimento delle particelle circolanti ad alta velocità. Nel reattore a fusione giapponese chiamato Large Helical Device (LHD), i ricercatori hanno studiato le oscillazioni del plasma indotte da particelle ad alta energia. Nuovi risultati di ricerca, insieme ai dati ottenuti dagli esperimenti LHD, hanno chiarito i dettagli delle oscillazioni che non possono essere misurate mediante esperimenti e l'interazione di particelle ad alta energia e le loro oscillazioni.

    Particelle alfa ad alta energia (ioni di elio), generato da reazioni di fusione che utilizzano deuterio e trizio, riscaldare il plasma e mantenere le condizioni di alta temperatura necessarie per la reazione di fusione. La previsione del loro comportamento e il loro controllo sono le chiavi per mantenere la reazione di fusione. D'altra parte, il plasma è anche un fluido che conduce elettricità. E poiché il flusso di corrente elettrica produce un campo magnetico, questo si chiama magnetofluido, o fluido magnetoidrodinamico.

    I plasmi che sono magnetofluido oscillano. Quando il periodo di oscillazione e il periodo delle particelle alfa ad alta energia che circolano all'interno di un plasma coincidono, esiste la possibilità che l'ampiezza dell'oscillazione aumenti a causa della risonanza. Di conseguenza, perché le particelle alfa ad alta energia sfuggono al plasma, si teme che le prestazioni del reattore a fusione si riducano. Per realizzare la generazione di elettricità da fusione, è imperativo fare previsioni altamente affidabili per quanto riguarda la distribuzione di particelle ad alta energia che incorporano l'interazione del plasma con le oscillazioni.

    Il gruppo di ricerca guidato dal professor Yasushi Todo e dall'assistente professore Hao Wang del National Institute for Fusion Science (NIFS) ha sviluppato un programma in grado di simulare il comportamento del plasma e i movimenti di particelle ad alta energia (il programma si chiama "simulazione ibrida" perché collega fluido e particelle). È ora possibile simulare l'interazione tra l'oscillazione del plasma e le particelle ad alta energia, il che non era possibile con i metodi precedenti che calcolavano separatamente il plasma e le particelle ad alta energia.

    Utilizzando questo programma di simulazione ibrida su supercomputer, il simulatore di plasma di NIFS e Helios, del Centro internazionale di ricerca sull'energia da fusione, i ricercatori hanno condotto una simulazione su larga scala del plasma LHD. Negli esperimenti LHD, hanno condotto ricerche sulle particelle ad alta energia e sulle oscillazioni del plasma utilizzando particelle ad alta energia generate dall'iniezione di fasci neutri (vedi Fig. 1). Nei risultati della simulazione mostrati in Figura 2, insieme ai dati sperimentali per le oscillazioni del plasma causate dalle particelle ad alta energia, hanno chiarito i dettagli delle oscillazioni che non possono essere misurate sperimentalmente, così come l'interazione di particelle ad alta energia che causano l'amplificazione dell'oscillazione.

    Questo programma di simulazione ibrida è appropriato non solo per l'LHD ma anche per esperimenti di plasma di fusione in Giappone e all'estero. Confrontando i risultati sperimentali relativi alla distribuzione delle particelle e delle oscillazioni ad alta energia, l'affidabilità del programma è stata confermata. Riproducendo con successo l'esperimento LHD, i ricercatori hanno prodotto il primo programma in grado di simulare particelle ad alta energia e oscillazioni del plasma.

    Il comportamento delle oscillazioni causate da particelle ad alta energia che circolano all'interno di un plasma LHD come ottenuto da una simulazione. Nella sezione trasversale della ciambella, in rosso e in blu sono indicati l'incremento e il decremento dovuto alle oscillazioni, rispettivamente, per la velocità del plasma (a sinistra) e la pressione (a destra). Credito:Dr. Yasushi Todo

    Questo risultato della ricerca è stato annunciato alla 26a conferenza dell'Agenzia internazionale per l'energia atomica tenutasi dal 17 al 22 ottobre a Kyoto, Giappone.

    Utilizzando il programma di simulazione ibrida sviluppato dal National Institute for Fusion Science, l'accuratezza della previsione della distribuzione delle particelle alfa ad alta energia nel plasma del nocciolo del reattore a fusione è notevolmente migliorata. Ciò contribuirà allo sviluppo di scenari operativi altamente affidabili e alla progettazione di reattori a fusione, e potrebbe accelerare la realizzazione di un reattore a fusione. Inoltre, il lavoro contribuisce alla comprensione delle interazioni delle particelle e delle oscillazioni ad alta energia. Mentre le oscillazioni del plasma provocano la perdita di particelle ad alta energia che riscaldano il plasma, le oscillazioni, fornendo al plasma energia ricevuta da particelle ad alta energia, al contrario riscaldare il plasma.

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