Per catturare e controllare sulla Terra le reazioni di fusione che guidano il sole e le stelle, i ricercatori devono prima trasformare il gas a temperatura ambiente in caldo, plasma carico che alimenta le reazioni. Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, scienziati hanno condotto un'analisi che conferma l'efficacia di un romanzo, modo non standard per l'avvio del plasma nei futuri impianti di fusione compatti.

La tecnica innovativa, noto come "iniezione elicoidale coassiale transitoria (CHI), " elimina il magnete centrale, o solenoide, che lancia il plasma all'interno dei tokamak, gli impianti di fusione più utilizzati. Tale eliminazione potrebbe facilitare il costante, o stato stazionario, reazioni di fusione e liberare spazio prezioso anche al centro di tokamak sferici compatti, la cui forma a mela dal torsolo ha meno spazio all'interno rispetto ai tradizionali tokamak a forma di ciambella che sono più comuni.

Fornire vantaggi

Lo spazio liberato potrebbe fornire vantaggi:potrebbe essere utilizzato per rafforzare il campo magnetico che confina il plasma e quindi migliorarne le prestazioni. L'eliminazione del solenoide potrebbe anche semplificare la progettazione di tokamak compatti.

Le reazioni di fusione fondono elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che si trova naturalmente in tutto l'universo e quindi genera energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

I solenoidi corrono lungo il centro di un tokamak e inducono corrente nel gas scarico che i ricercatori iniettano nella struttura. La corrente sottrae elettroni agli atomi nel gas, trasformandolo in un plasma carico, un processo chiamato "ionizzazione, " o rottura del plasma. La corrente crea anche un campo magnetico che si combina con il campo prodotto dai magneti che circondano il tokamak per imbottigliare e controllare il plasma, consentendo al riscaldamento di produrre reazioni di fusione.

Eliminazione del solenoide

Al contrario, il processo CHI transitorio riportato in Physics of Plasmas produce la corrente elettrica cruciale con elettrodi posizionati vicino alla parte inferiore o superiore del tokamak, eliminando il solenoide mangia-spazio. "Ciò su cui ci siamo concentrati principalmente era la fase iniziale della formazione del plasma, " ha detto il fisico Kenneth Hammond del Max Planck Institute of Plasma Physics, l'autore principale del documento che ha svolto ricerche sul CHI come studente laureato alla Columbia University presso PPPL e si unirà al laboratorio questa estate. "Ciò ha aiutato a dipingere un quadro più completo di come funzionano le dimissioni da CHI".

Il CHI transitorio, così chiamato perché gli elettrodi che producono la corrente di lancio del plasma vengono eseguiti brevemente anziché continuamente, è stato sviluppato per la prima volta in esperimenti sul piccolo Helicity Injection Torus (HIT-II) presso l'Università di Washington e il più grande National Spherical Torus Experiment (NSTX) presso PPPL prima del suo aggiornamento; il processo era stato anche modellato al PPPL. Gli esperimenti, che ha mostrato che il CHI transitorio potrebbe essere scalato da macchine più piccole a macchine più grandi, motivato il recente studio, disse Roger Raman, un fisico dell'Università di Washington su incarico a lungo termine al PPPL e coautore dell'articolo.

Lo studio ha scoperto che il posizionamento degli elettrodi CHI nei primi esperimenti "potrebbe mostrare una grave debolezza se ridimensionato a un reattore, "Ha detto Hammond. Ha quindi analizzato una configurazione di elettrodi alternativa simile a quella attualmente utilizzata in QUEST, un tokamak sferico in Giappone. I risultati hanno mostrato che la configurazione alternativa potrebbe scalare bene in un futuro impianto di fusione basato su tokamak sferico progettato presso PPPL. "La buona notizia di questo studio è che le proiezioni per l'avvio di dispositivi su larga scala sembrano promettenti, "Ha detto Hammond.

Potenziale prezioso

La tecnica CHI ha un potenziale prezioso, d'accordo Tom Brown, un ingegnere principale di PPPL che ha contribuito a progettare il concetto della futura struttura sferica. "In caso di successo, CHI potrebbe fornire spazio per componenti interni che potrebbero migliorare le prestazioni dei dispositivi sferici, " disse Brown. Tuttavia, Ha aggiunto, "Ulteriori dettagli ingegneristici devono essere sviluppati a livello sperimentale che possa funzionare anche all'interno di un dispositivo [dimostrativo] di livello superiore e anche in un'eventuale centrale elettrica a fusione".

I ricercatori hanno finora testato il ridimensionamento del CHI nelle simulazioni condotte sul codice di simulazione Tokamak, un programma per computer creato dal fisico PPPL Stephen Jardin che ha modellato plasmi in tutto il mondo. Jardin, un coautore del Fisica dei Plasmi rapporto, ha lavorato con Raman per produrre la simulazione a cui si fa riferimento nel documento. "Sebbene il CHI non sia mai stato testato su un dispositivo su larga scala del reattore, "Hammond ha detto, "siamo ottimisti sul fatto che le stesse relazioni manterranno le dimensioni maggiori con campi magnetici più forti".

Sono previsti futuri esperimenti su URANIA, un tokamak sferico senza solenoide presso l'Università del Wisconsin-Madison. I nuovi esperimenti metteranno alla prova l'avvio del plasma con due elettrodi CHI transitori azionati in modo indipendente, una configurazione che potrebbe produrre una maggiore flessibilità per ottimizzare il sistema promettente.