I ricercatori che lavorano presso il DIII-D National Fusion Facility presso General Atomics (GA) hanno creato un nuovo importante strumento per controllare i plasmi di fusione che sono più caldi del sole.

L'energia e la quantità di moto nel plasma contenuto magneticamente di DIII-D viene fornita da grandi sistemi di fasci di particelle neutre, e la recente dimostrazione di GA sul controllo preciso della potenza e della coppia iniettate è la prima. Gli scienziati sono ora in grado di preprogrammare questi input per tutta la durata delle scariche di plasma (chiamate "colpi"). GA ha guidato lo sforzo di sviluppo in collaborazione con scienziati dell'Università della California-Irvine e del Princeton Plasma Physics Laboratory.

In precedenza, questi ingressi sono stati adattati utilizzando la modulazione on/off dei raggi neutri, con conseguenti grandi perturbazioni, cioè oscillazioni di potenza. Il nuovo metodo consente la specifica separata e continua di potenza e coppia, compresa l'importante capacità di mantenere un livello di potenza iniettato fisso mentre si varia la coppia.

Cambiare il modo in cui funziona questo sistema è uno sforzo significativo, considerando le dimensioni e la complessità di ciascun sistema di travi; ci sono quattro alloggi delle dimensioni di un camion per otto travi totali in DIII-D (Figura 1). Il sistema a raggio neutro inietta fino a 20 megawatt di potenza, circa la potenza utilizzata da 15, 000 case.

Nel passato, fasci neutri hanno operato accelerando gli ioni attraverso un'alta tensione (circa 90, 000 volt, rispetto ai 120 volt di una tipica presa di corrente domestica) che si fissa nel tempo, e poi li fanno passare attraverso una camera di gas denso dove si neutralizzano e volano nel plasma magnetizzato. È necessaria un'elevata tensione di accelerazione per massimizzare la velocità dell'atomo neutro risultante e la potenza di riscaldamento del raggio.

Esperimenti negli ultimi anni hanno dimostrato che la velocità delle particelle del raggio può produrre o amplificare onde di plasma elettromagnetiche che spingono quelle particelle del raggio fuori dal plasma e nelle pareti del tokamak. Ciò presenta un dilemma perché è necessaria un'elevata potenza del fascio per raggiungere le temperature di fusione, ma la perdita di particelle del fascio riduce la temperatura e può portare a costosi danni lungo le pareti del tokamak.

La soluzione è variare l'alta tensione del fascio nel tempo, riducendo così le perdite di particelle del fascio dovute alle onde di plasma massimizzando la potenza del fascio in ingresso. Quando il plasma viene riscaldato, il comportamento delle onde di plasma cambia in modo tale che le particelle del fascio di diverse velocità interagiscono con le onde. Ora, ai raggi neutri DIII-D possono essere assegnati profili di tensione pre-programmati che riducono al minimo le interazioni onda-particella. Ciò mantiene le particelle del fascio nel plasma e consente alla tensione del fascio di aumentare a livelli più elevati che massimizzano la potenza di riscaldamento in ingresso. Un esempio di ridotta attività delle onde plasmatiche è mostrato nei grafici sottostanti (Figura 2), dove condizioni di plasma simili producono onde molto diverse in base all'evoluzione temporale della tensione del fascio.

"Questo progetto ha coinvolto due anni di ingegneri e fisici che hanno lavorato duramente per creare qualcosa di nuovo, ed è meraviglioso vederlo funzionare con successo su DIII-D, " ha detto il dottor David Pace, un fisico che ha guidato il progetto per il GA Energy Group, "Ora possiamo concentrarci sul prossimo entusiasmante passo, che sta dimostrando tutti i modi in cui questi fasci a tensione variabile possono migliorare la fusione magnetica nelle macchine di tutto il mondo".

I primi risultati saranno presentati da Tim Scoville, capo del Neutral Beam Group presso DIII-D, alla riunione annuale dell'American Physical Society Division of Plasma Physics, 31 ottobre - 4 novembre. Questo lavoro è sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Ufficio di Scienze, Ufficio delle scienze dell'energia da fusione, presso la struttura DIII-D gestita da GA.