I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e della General Atomics del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno simulato un misterioso flusso auto-organizzato del plasma incandescente che alimenta le reazioni di fusione. I risultati mostrano che pompare più calore nel nucleo del plasma può portare a instabilità che creano la rotazione del plasma all'interno del tokamak a forma di ciambella che ospita il gas caricato caldo. Questa rotazione può essere utilizzata per migliorare la stabilità e le prestazioni dei dispositivi di fusione.

I risultati, riportato a gennaio sulla rivista Lettere di revisione fisica , utilizzare simulazioni di turbolenza al plasma basate sui primi principi di esperimenti eseguiti sul DIII-D National Fusion Facility che la General Atomics gestisce per il DOE a San Diego. I risultati potrebbero portare a un migliore controllo delle reazioni di fusione in ITER, l'esperimento internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione. Il supporto per questa ricerca viene dal DOE Office of Science con simulazioni eseguite presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un DOE Office of Science User Facility presso il Lawrence Berkeley National Laboratory.

Fasci ad alta energia

Per migliorare la stabilità e il confinamento del plasma, un gas composto da elettroni e ioni che è spesso chiamato il quarto stato della materia, i fisici hanno tradizionalmente iniettato fasci ad alta energia di atomi neutri. Questi fasci energetici fanno ruotare il nucleo e la regione esterna del plasma a velocità diverse, creando un flusso tranciato, o rotazione, che migliora la stabilità e il confinamento. Un mistero persistente è come il plasma a volte generi il proprio flusso tranciato, spontaneamente.

La nuova ricerca, guidato dai fisici PPPL Brian Grierson e Weixing Wang, mostra che un riscaldamento sufficiente del nucleo del plasma genera un tipo speciale di turbolenza che produce una coppia intrinseca, o forza di torsione, che fa sì che il plasma generi il proprio flusso tranciato. I risultati hanno rilevanza per grandi, futuri reattori, poiché l'iniezione del raggio neutro creerà solo una rotazione limitata negli enormi plasmi all'interno di tali strutture.

Plasmi auto-organizzanti

La ricerca collaborativa degli scienziati di PPPL e General Atomics ha scoperto che i plasmi possono organizzarsi per produrre una rotazione tagliata quando il calore viene aggiunto nel modo giusto. Il processo funziona così:

• Il riscaldamento del nucleo del plasma produce turbolenza che fluttua di forza lungo il raggio del gas.
• Le fluttuazioni generano uno "stress residuo" che agisce come una coppia che fa ruotare le parti interna ed esterna del plasma l'una di fronte all'altra a velocità diverse.
• Le diverse velocità di rotazione rappresentano un equilibrio tra la coppia prodotta dalla turbolenza e la viscosità del plasma, che impedisce al gas di girare arbitrariamente veloce.

I ricercatori hanno utilizzato il codice GTS per simulare la fisica del trasporto turbolento del plasma modellando il comportamento delle particelle di plasma mentre giravano intorno ai campi magnetici. La simulazione ha previsto il profilo di rotazione modellando la coppia intrinseca della turbolenza e la diffusione del suo momento. La rotazione prevista concordava abbastanza bene, per forma e grandezza, con la rotazione osservata negli esperimenti DIII-D.

Una delle prossime sfide chiave sarà estrapolare i processi per ITER. Tale modellazione richiederà simulazioni massicce che spingeranno i limiti dei supercomputer ad alte prestazioni attualmente disponibili. "Con accurati esperimenti e simulazioni dettagliate della fisica fondamentale, stiamo iniziando a capire come il plasma crea la propria rotazione tranciata, " ha detto Grierson. "Questo è un passo fondamentale lungo la strada per ottimizzare il flusso di plasma per rendere i plasmi di fusione più stabili, e operare con alta efficienza."