Una delle principali sfide per lo sviluppo dell'energia di fusione è mantenere il plasma ultra caldo che alimenta le reazioni di fusione in uno stato stazionario, o sostenibile, forma utilizzando bobine magnetiche superconduttrici per evitare l'enorme fabbisogno di potenza delle bobine di rame. Mentre i superconduttori possono consentire a un reattore a fusione di funzionare indefinitamente, il controllo del plasma con i superconduttori rappresenta una sfida perché i vincoli tecnici limitano la velocità con cui tali bobine magnetiche possono adattarsi rispetto alle bobine di rame che non hanno gli stessi vincoli.

Il tempo di risposta più lento di queste bobine superconduttrici crea il problema. Il ritmo più lento rende difficile far funzionare una scarica stabile con il grande volume di plasma o l'altezza verticale estesa richiesta per produrre energia da fusione. L'esplorazione di questo problema in un attuale dispositivo superconduttore è particolarmente utile per ITER, l'esperimento internazionale di fusione in costruzione in Francia, che sarà operativo nel 2025.

All'avanguardia della sfida

All'avanguardia di questa sfida di controllo c'è il dispositivo Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), uno dei più grandi tokamak superconduttori al mondo. I suoi superconduttori sono fatti di niobio e stagno, lo stesso conduttore che è previsto per l'uso in ITER.

Un team di ricercatori statunitensi e coreani, guidato dal fisico Dennis Mueller del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), ha ora nettamente migliorato la stabilità del plasma allungato in KSTAR, dando un esempio su come affrontare problemi simili in altri dispositivi superconduttori come ITER. Il metodo di controllo di successo, dimostrato questa estate da Mueller e dai fisici del National Fusion Research Institute (NFRI) in Corea del Sud e General Atomics a San Diego, anni di sforzi per controllare l'instabilità verticale, che aveva permesso al plasma di rimbalzare su e giù nel recipiente a vuoto alto 11 piedi.

"Man mano che il plasma diventava più alto, si allontanava dal funzionamento stabile, " Mueller ha detto alla 59a riunione annuale dell'American Physical Society Division of Plasma Physics in ottobre. "Il nuovo metodo di correzione impedisce al plasma di rimbalzare su e giù stabilizzando il centro verticale del plasma. Il controllo dell'instabilità verticale ha consentito di ottenere plasmi più alti in KSTAR rispetto alle specifiche di progettazione originali."

Elettronica modificata

La chiave per la correzione è stata l'elettronica modificata per i sensori che rilevano il campo magnetico del plasma e il movimento e la posizione del plasma. I sensori modificati inviano rapidamente un segnale di controllo in grado di fornire un feedback sulla posizione verticale. Il feedback utilizza una bobina di controllo verticale (IVC) all'interno del vaso per respingere i cambiamenti nella posizione verticale e impedire la terminazione del plasma. "L'utilizzo dei segnali del sensore migliorati è fondamentale per il corretto funzionamento del sistema di controllo, " ha detto Mueller.

I nuovi sensori magnetici hanno richiesto uno sforzo di squadra per sviluppare e ottimizzare. A fornire l'elettronica sono stati i ricercatori della KSTAR Jun Gyo Bak e Heungsu Kim. A guidare lo sforzo c'erano Mueller e Sang-hee Hahn di KSTAR.

Oltre ai miglioramenti del sensore, Nicholas Eidietis di General Atomics ha sviluppato un sistema di controllo che distingue tra cambiamenti veloci e lenti nei segnali del sensore e dirige bobine diverse per rispondere al movimento del plasma su diverse scale temporali. Il risultato finale di questo lavoro di squadra internazionale è un sistema di controllo che risponde efficacemente ai movimenti del plasma, consentendo il funzionamento con plasmi più alti che superano i requisiti di progettazione KSTAR. Il DOE Office of Science (FES) ha sostenuto questo lavoro collaborativo.