Un ostacolo chiave per i ricercatori sulla fusione è comprendere la turbolenza, le increspature e i vortici che possono far sì che il plasma incandescente che alimenta le reazioni di fusione perda calore e particelle e impedisca la fusione. Comprendere e ridurre la turbolenza faciliterà lo sviluppo della fusione come sicurezza, fonte di energia pulita e abbondante per la generazione di elettricità dalle centrali elettriche di tutto il mondo.

Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, gli scienziati hanno assemblato un ampio database di misurazioni dettagliate della struttura bidimensionale (2-D) della turbolenza del plasma marginale resa visibile da una tecnica diagnostica nota come imaging del soffio di gas. Le due dimensioni, misurato all'interno di un dispositivo di fusione chiamato tokamak, rappresentano la struttura radiale e verticale della turbolenza.

Passo verso una comprensione più completa

"Questo studio è un passo incrementale verso una comprensione più completa della turbolenza, " ha detto il fisico Stewart Zweben, autore principale della ricerca pubblicata sulla rivista Fisica dei Plasmi . "Potrebbe aiutarci a capire come funziona la turbolenza come causa principale della perdita di confinamento del plasma".

La fusione avviene naturalmente nello spazio, fondere gli elementi luminosi nel plasma per rilasciare l'energia che alimenta il sole e le stelle. Sulla terra, i ricercatori creano la fusione in strutture come i tokamak, che controllano il plasma caldo con campi magnetici. Ma la turbolenza spesso fa sì che il calore fuoriesca dal suo confinamento magnetico.

Gli scienziati del PPPL sono ora andati oltre le caratterizzazioni precedentemente pubblicate della turbolenza e hanno analizzato i dati per concentrarsi sulle correlazioni spaziali 2-D all'interno della turbolenza. Questa correlazione fornisce indizi sull'origine del comportamento turbolento che causa perdite di calore e particelle, e servirà come base aggiuntiva per testare simulazioni al computer di turbolenza contro prove empiriche.

Studio di 20 scariche di plasma

Il documento ha studiato 20 scariche di plasma scelte come campione rappresentativo di quelle create nel National Spherical Torus Experiment (NSTX) di PPPL prima del suo recente aggiornamento. In ciascuno di questi scarichi, uno sbuffo di gas illuminò la turbolenza vicino al bordo del plasma, dove la turbolenza è di particolare interesse. i soffi, una fonte di atomi neutri che si illuminano in risposta ai cambiamenti di densità all'interno di una regione ben definita, ha permesso ai ricercatori di vedere le fluttuazioni nella densità della turbolenza. Una telecamera veloce ha registrato la luce risultante alla velocità di 400, 000 fotogrammi al secondo su una dimensione del fotogramma dell'immagine di 64 pixel di larghezza per 80 pixel di altezza.

Zweben e i coautori hanno eseguito l'analisi computazionale dei dati dalla fotocamera, determinando le correlazioni tra le diverse regioni dei telai mentre i vortici turbolenti si muovevano attraverso di esse. "Stiamo osservando i modelli della struttura spaziale, " Ha detto Zweben. "Puoi paragonarlo alla struttura delle nuvole alla deriva. Alcune grandi nuvole possono essere ammassate insieme o ci può essere una rottura con un cielo semplice".

Vista dettagliata della turbolenza

Le correlazioni forniscono una visione dettagliata della natura della turbolenza plasmatica. "Le cose semplici sulla turbolenza come le sue dimensioni e la scala temporale sono note da tempo, " ha detto il fisico PPPL Daren Stotler, un coautore del documento. "Queste simulazioni approfondiscono un altro livello per osservare come varia la turbolenza in una parte del plasma rispetto alla turbolenza in un'altra parte".

Nella grafica risultante, una croce blu indica il punto di messa a fuoco per un calcolo; le aree rosse e gialle intorno alla croce sono regioni in cui la turbolenza si evolve in modo simile alla turbolenza nel punto focale. Più lontano, i ricercatori hanno trovato regioni in cui la turbolenza sta cambiando in modo opposto ai cambiamenti nel punto focale. Queste regioni più lontane sono mostrate come sfumature di blu nella grafica, con la croce gialla che indica il punto con la correlazione più negativa.

Per esempio, se le immagini rosse e gialle fossero una regione di turbolenza ad alta densità, le immagini blu indicavano una bassa densità. "L'aumento di densità deve venire da qualche parte, " disse Zweben. "Forse dalle regioni blu."

Andando avanti, la conoscenza di queste correlazioni potrebbe essere utilizzata per prevedere il comportamento della turbolenza nel plasma confinato magneticamente. Il successo dello sforzo potrebbe approfondire la comprensione di una causa fondamentale della perdita di calore dalle reazioni di fusione.