I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato una diagnostica che fornisce informazioni cruciali in tempo reale sul plasma ultracaldo che vortica all'interno di macchine per la fusione a forma di ciambella note come tokamak. Questo dispositivo monitora quattro posizioni in un plasma, consentendo alla diagnostica di effettuare calcoli rapidi di come i profili di velocità degli ioni all'interno del plasma si evolvono nel tempo.

I risultati sono tra i primi ottenuti dal National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) di PPPL, la macchina ammiraglia del Laboratorio recentemente aggiornata. Questa ricerca è stata supportata dal DOE Office of Science (Fusion Energy Sciences).

In un articolo nel numero di novembre 2016 di Fisica del plasma e fusione controllata , i fisici Mario Podestà e Ron Bell riferiscono il successo della messa in servizio e del funzionamento del dispositivo, chiamata diagnostica della velocità in tempo reale (RTV), che potrebbe diventare parte di un sistema per il controllo attivo della velocità di rotazione del plasma. "Il controllo della rotazione è fondamentale per ottimizzare la stabilità del plasma contro una serie di instabilità, " ha osservato Stan Kaye, vice direttore del programma per NSTX-U. Tale stabilità è essenziale affinché avvengano le reazioni di fusione.

La diagnostica raccoglie informazioni osservando cosa succede quando un fascio di atomi neutri viene iniettato nel plasma. Quando questi atomi interagiscono con gli ioni carbonio carichi nel plasma, gli atomi di carbonio eccitati producono un fotone di luce che la diagnostica rileva. Lo strumento deduce la velocità degli ioni di plasma tenendo conto dell'effetto Doppler, lo stesso processo che fa sì che il tono delle sirene suoni più alto quando si accelera verso qualcuno e più basso quando si scappa via.

Il piccolo numero di misurazioni richieste è cruciale per la velocità di calcolo. "È come la differenza tra costruire un'auto da strada e un'auto da corsa, " disse Podestà. "Quando costruisci una macchina da corsa, si elimina tutto ciò che non è necessario e si spinge per aumentare le prestazioni. Allo stesso modo, queste quattro misurazioni forniscono la quantità minima di informazioni per dedurre la velocità del plasma mentre la scarica di plasma si evolve." In effetti, precedenti esperimenti sul tokamak prima del suo aggiornamento mostrano che quattro misurazioni, ciascuna ottimizzata per raccogliere la massima quantità di luce, sono tutto ciò di cui i ricercatori hanno bisogno per controllare la rotazione del plasma, dati i vincoli interni di NSTX-U.

La misurazione della velocità in tempo reale non è unica. Altri tokamak, come il Joint European Torus (JET) in Inghilterra e JT-60U in Giappone, avere una diagnostica che misura le velocità in tempo reale, sebbene a una frequenza di campionamento inferiore rispetto alla diagnostica RTV. Podestà e Bell volevano una diagnostica che fornisse un quadro più completo del profilo di velocità del plasma. Realizzare quel tipo di immagine significava scegliere con molta attenzione le posizioni dei quattro punti di misurazione.

"Inoltre, " disse Podestà, "i plasmi in NSTX-U possono evolvere su scale temporali più veloci di quelle tipicamente osservate in JET o JT-60U. Pertanto, dovevamo misurare a frequenze di campionamento più elevate per avere un'idea migliore di come la velocità cambia nel tempo durante una scarica di plasma".

A causa dei suoi calcoli rapidi, la diagnostica RTV potrebbe un giorno inserirsi in un sistema più ampio che consentirà agli scienziati di mettere a punto il profilo di velocità del plasma e ottimizzare le prestazioni del plasma durante le operazioni di fusione.

PPPL, al Forrestal Campus della Princeton University a Plainsboro, NJ, è dedicato alla creazione di nuove conoscenze sulla fisica dei plasmi:ultra-caldi, gas carichi e allo sviluppo di soluzioni pratiche per la creazione di energia da fusione. Il Laboratorio è gestito dall'Office of Science dell'Università per l'U.S. Department of Energy, che è il più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo. Per maggiori informazioni, visita science.energy.gov.