Sezione trasversale di un plasma tokamak, con asse di simmetria cilindrico a sinistra, che mostra una potenziale soluzione alla sfida dello scarico della potenza di fusione:(1) plasma centrale simmetrico alto-basso, definito da punti x magnetici e (2) appositamente progettati, canali di scarico a gamba lunga per dissipare la potenza per irraggiamento, interazione con il gas e un punto x magnetico secondario nella gamba. Credito:MIT
La fusione magnetica riguarda la gestione dell'interfaccia tra plasma caldo e materiali ordinari. Il forte campo magnetico in un tokamak, il recipiente utilizzato in questo approccio di fusione, è un isolante molto efficace; è in grado di ridurre la temperatura del plasma di un fattore 100, da oltre 100 milioni di gradi Celsius al centro a "solo" 1 milione di gradi al bordo. Però, questo non è abbastanza basso. Perciò, è compito del plasma di confine ridurre la temperatura di un altro fattore di 100 prima che entri in contatto con la parete.
Sfortunatamente, questo strato limite tende ad essere molto sottile, concentrando il potere su una piccola area. Si prevede che le centrali elettriche abbiano densità di potenza di scarico superiori a 100 volte la superficie del sole e un fattore 10 superiore agli esperimenti attuali, superando di gran lunga i limiti che le superfici dei materiali possono gestire. Inoltre, livelli estremi di potenza di scarico possono sorgere improvvisamente, presentando una sfida di controllo molto difficile.
Fortunatamente, i ricercatori stanno scoprendo ora che i canali di scarico del plasma a gamba lunga (o divertori) possono fornire la soluzione necessaria per le centrali elettriche a fusione. Questi fanno un uso intelligente dei punti x:posizioni speciali in cui la topologia del campo magnetico è in grado di espandere e reindirizzare il flusso di scarico del plasma in più canali.
Primo, viene creato un plasma centrale simmetrico dall'alto verso il basso, definito da due punti x magnetici primari. In questa configurazione, gli esperimenti indicano che circa il 90 percento del calore esce dal plasma centrale sulla metà esterna del dispositivo lungo le due gambe esterne [Abstract 1]. L'estensione della lunghezza dei canali esterni e l'inclusione di punti x secondari in essi miglioreranno quindi la gestione dello scarico di potenza. Inoltre, questa configurazione favorisce l'accumulo di elevate pressioni di gas nelle gambe.
Simulazione di potenza di scarico e radiazione in un canale di scarico del plasma a gamba lunga che contiene un punto x magnetico secondario. Lo scarico del calore del plasma è completamente assorbito da uno strato radiante passivamente stabile, evitando che il plasma caldo entri in contatto con le pareti del materiale. All'aumentare della potenza di scarico, la posizione dello strato radiante si sposta lungo la gamba. Il punto x magnetico incorporato funge da antiretro per gestire i livelli di potenza più intensi. Credito:MIT
Una recente valutazione delle capacità di gestione della potenza delle configurazioni di divertori a gamba lunga è stata eseguita e confrontata con le configurazioni convenzionali utilizzando un codice di simulazione del plasma edge sviluppato presso il Lawrence Livermore National Laboratory in grado di gestire i punti x magnetici nella gamba [Abstract 2]. Gli effetti combinati della geometria magnetica a gamba lunga, interazioni migliorate gas-plasma e la presenza di un punto x magnetico secondario aumentano la capacità di gestione della potenza di picco fino a un fattore 10 rispetto ai divertori convenzionali, un risultato senza precedenti.
Più importante, il punto x secondario produce uno strato radiante stabile che accoglie completamente lo scarico di calore del plasma, eliminando il contatto del plasma caldo sulle pareti del materiale anche quando la potenza di scarico del plasma viene variata di un fattore 10. Ciò rende lo scarico di potenza facile da controllare. Poiché il potere è vario, la posizione dello strato di radiazione si sposta semplicemente su o giù lungo la gamba secondo necessità per abbinare la potenza in ingresso (Figura 2). Lo strato radiante rimane nella gamba del deviatore e non influisce sui punti x primari, che degraderebbe le prestazioni del core plasma.
Questi risultati, combinato con altri, stanno contribuendo alla pianificazione di dispositivi sperimentali in fase successiva che testeranno le idee di scarico di potenza a densità di potenza a livello di reattore [Abstract 3].
