Tutti gli sforzi per replicare negli impianti di fusione tokamak l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle devono far fronte a un problema costante:esplosioni di calore transitorie che possono fermare le reazioni di fusione e danneggiare i tokamak a forma di ciambella. queste esplosioni, chiamate modalità localizzate perimetrali (ELM), si verificano ai margini del caldo, gas plasma caricato quando si mette in marcia per alimentare le reazioni di fusione.

Per prevenire tali esplosioni, i ricercatori del DIII-D National Fusion Facility, che General Atomics (GA) opera per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), precedentemente sperimentato un approccio che inietta piccole increspature di campi magnetici nel plasma per far fuoriuscire il calore in modo controllabile. Ora gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del DOE hanno sviluppato uno schema di controllo per ottimizzare i livelli di questi campi per ottenere le massime prestazioni senza ELM.

Percorso per sopprimere gli ELM

La ricerca, guidato dal fisico PPPL Florian Laggner e finanziato dal DOE Office of Science, ha sviluppato lo schema al DIII-D di San Diego. Laggner ha detto che il metodo, messo insieme a ricercatori di GA e altre istituzioni che collaborano, rivela un percorso per sopprimere gli ELM e massimizzare il potere di fusione su ITER, il tokamak internazionale in costruzione in Francia, progettato per dimostrare la praticità dell'energia da fusione. "Mostriamo un percorso in avanti, un modo in cui si può fare, " ha detto Lagner, autore principale di un articolo che riporta i risultati in Fusione nucleare .

La fusione alimenta il sole e le stelle combinando elementi luminosi sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99 percento dell'universo visibile, per generare enormi quantità di energia. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di sfruttare la fusione per una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

La tecnica dimostrata utilizza la capacità estesa del sistema di controllo del plasma DIII-D per affrontare il conflitto intrinseco tra l'ottimizzazione dell'energia di fusione e il controllo degli ELM. Lo schema si concentra sul "piedistallo, "il magro, denso strato di plasma vicino al bordo del tokamak che aumenta la pressione del plasma e quindi la potenza di fusione. Però, se il piedistallo cresce troppo in alto può creare esplosioni di calore ELM crollando improvvisamente.

Quindi la chiave è controllare l'altezza del piedistallo per massimizzare la potenza di fusione evitando che lo strato diventi così alto da attivare gli ELM. La combinazione richiede il controllo in tempo reale del processo. "Non puoi semplicemente preprogrammare uno schema costante in anticipo, poiché le condizioni del plasma e della parete possono evolvere, " disse Egemen Kolemen, un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso la Princeton University e un fisico PPPL che ha supervisionato il progetto. "Il controllo deve fornire regolazioni in tempo reale".

Soppressione ELM stabile

Il sistema sviluppato ha creato la soppressione ELM alla minima ampiezza, o taglia, del disturbo magnetico. Ha ulteriormente ridotto l'ampiezza per consentire il parziale recupero del confinamento perso durante il processo, ottenendo così sia una soppressione ELM stabile che prestazioni di fusione elevate.

"Laggner e colleghi hanno assemblato un'impressionante suite di strumenti di controllo per regolare la stabilità del plasma del nucleo e dei bordi in tempo reale, " ha detto il fisico di GA Carlos Paz-Soldan, un coautore del documento. "Sarà probabilmente necessario un qualche tipo di controllo adattivo come le tecniche sperimentate in questo lavoro per regolare la stabilità del bordo del plasma in ITER".

Sebbene la struttura internazionale non applicherà semplicemente il sistema di controllo sviluppato da PPPL e GA, deve creare il proprio metodo per far fronte agli ELM. Infatti, "gli schemi di controllo attivo consentiranno un funzionamento sicuro con il massimo guadagno [di fusione] in dispositivi futuri come ITER, " hanno detto gli autori. Inoltre, hanno aggiunto, l'implementazione di tale schema su DIII-D fornisce una prova di principio e "guida lo sviluppo futuro".