Come un vasaio che modella l'argilla mentre gira su una ruota, i fisici usano campi magnetici e potenti fasci di particelle per controllare e modellare il plasma mentre ruota e ruota attraverso un dispositivo di fusione. Ora un fisico ha creato un nuovo sistema che consentirà agli scienziati di controllare l'energia e la rotazione del plasma in tempo reale in una macchina a forma di ciambella nota come tokamak.

"Quando si progettano macchine per la fusione, sta diventando sempre più importante utilizzare sistemi di controllo e tecniche di modellazione presi dal mondo dell'ingegneria aeronautica, " disse Imène Goumiri, lo scienziato che ha guidato il lavoro. "La novità è che questi strumenti sono stati applicati ai problemi di fisica del plasma; questo è ciò che rende questa ricerca unica". Goumiri era uno studente di dottorato dell'Università di Princeton che ha condotto ricerche presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e ora è un fisico presso l'Università del Wisconsin-Madison.

Il sistema di Goumiri, noto come controller di feedback, include sensori all'interno del tokamak che sono collegati a un algoritmo informatico che interpreta i dati raccolti dai sensori. L'algoritmo attiva sei raggi di particelle neutre che riscaldano e fanno ruotare il plasma all'interno del tokamak e attiva sei bobine magnetiche rettangolari situate intorno all'esterno della macchina. "Questa è la prima volta che questi due attuatori vengono utilizzati insieme per controllare il profilo di rotazione del plasma, " ha detto Steven Sabbagh, un ricercatore senior e professore a contratto di fisica applicata alla Columbia University che ha collaborato con PPPL per 27 anni ed è stato uno dei coautori dell'articolo.

Controllando la rotazione, i fisici possono impedire alle instabilità di degradare il campo magnetico e consentire al plasma di dissiparsi, chiudendo le reazioni di fusione.

I ricercatori hanno progettato l'algoritmo per il National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), che ha un sistema di raggio neutro avanzato che influenza la rotazione del plasma collidendo con le particelle cariche del plasma e trasferendo il momento. Il sistema dispone di due emettitori con tre sorgenti di raggio neutre ciascuno. Un emettitore mira al nucleo del plasma mentre l'altro mira al bordo per esercitare una leva sul plasma nel suo insieme. Un sistema magnetico flessibile consente ai fisici di controllare ulteriormente la distribuzione della rotazione del plasma. Generalmente, l'algoritmo utilizza le bobine magnetiche e gli emettitori di raggi neutri in diverse combinazioni per modificare il modo in cui ruotano le diverse regioni del plasma.

L'algoritmo bilancia anche gli effetti dei magneti e dei raggi neutri per assicurarsi che il plasma complessivo non si muova bruscamente da una velocità all'altra. Lo scopo è ottenere una particolare quantità di calore al plasma, o energia immagazzinata, insieme alla rotazione del plasma desiderata, un'innovazione che mancava a una versione precedente dell'algoritmo.

Goumiri e il team hanno testato il nuovo algoritmo del controller su un tokamak simulato creato dal codice del computer TRANSP, un programma progettato da PPPL utilizzato nella ricerca sulla fusione magnetica in tutto il mondo. Il test ha mostrato che l'algoritmo potrebbe modificare con successo sia il profilo di rotazione del plasma che l'energia immagazzinata in modi che aumenterebbero la stabilità del plasma.

Nel futuro, Goumiri spera di testare il suo algoritmo di controllo su NSTX-U. Una volta in funzione, le lezioni che i fisici apprendono dall'uso dell'algoritmo potrebbero influenzare la progettazione dei futuri reattori a fusione. Tali reattori avranno più di un algoritmo per controllare la rotazione del plasma, corrente elettrica, e la forma del plasma. La ricerca futura dovrà concentrarsi sul modo in cui tutti i controllori operano insieme e progettare un sistema globale che consenta ai controllori di operare in modo armonioso.

Questa ricerca è stata pubblicata nel febbraio 2017 nella versione online di Fisica dei Plasmi ed è stato finanziato dall'Office of Science del DOE (Fusion Energy Sciences).