Tutti sanno che il gioco del biliardo coinvolge le palle che sbandano dai lati di un tavolo da biliardo, ma poche persone potrebbero sapere che lo stesso principio si applica alle reazioni di fusione. Il modo in cui le particelle cariche come gli elettroni e i nuclei atomici che compongono il plasma interagiscono con le pareti dei dispositivi a forma di ciambella noti come tokamak aiuta a determinare l'efficienza delle reazioni di fusione. Nello specifico, in un fenomeno noto come emissione di elettroni secondari (SEE), gli elettroni colpiscono la superficie della parete, provocando l'emissione di altri elettroni. Quegli elettroni secondari raffreddano il bordo del plasma e smorzano le prestazioni complessive del plasma.

Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) studiano la SEE da decenni, e nell'ultimo anno hanno fatto importanti progressi che ne hanno ulteriormente approfondito la comprensione. Più recentemente, due dei fisici:Marlene Patino, uno studente laureato presso l'Università della California, Los Angeles, e Angela Capece, un professore al College of New Jersey, hanno concentrato i loro sforzi sulla ricerca di come la SEE è influenzata da diversi materiali e strutture delle pareti.

Comprendere la SEE è fondamentale perché il comportamento degli elettroni secondari potrebbe influenzare le prestazioni delle future macchine a fusione. "Quando le perdite di calore diventano grandi, la macchina di fusione è meno in grado di produrre energia, " disse Capece.

Nella sua ricerca SEE, Capece ha studiato come gli elettroni hanno interagito con il litio, un materiale per pareti che potrebbe migliorare la capacità dei tokamak di confinare il plasma. Altri scienziati interessati al litio hanno creato modelli al computer che simulano come il litio interagisce con gli elettroni del plasma, ma quei modelli non hanno tenuto conto della facilità con cui il litio si lega ad altri oligoelementi nel plasma, come l'ossigeno, per formare nuove molecole come l'ossido di litio. Queste nuove molecole interagiscono con gli elettroni in modo diverso rispetto al litio puro.

Nello specifico, quando gli elettroni colpiscono l'ossido di litio su una parete del tokamak, molti più elettroni secondari vengono rilasciati nel plasma rispetto a materiali di parete non al litio come il tungsteno e il carbonio. Se un tokamak ha un rivestimento in grafite, un elettrone che lo colpisce con una particolare quantità di energia può produrre un elettrone secondario. D'altra parte, se un elettrone con la stessa energia colpisce un rivestimento di ossido di litio, da uno a tre elettroni secondari potrebbero risultare.

Questa discrepanza è cruciale. "Quando si incorpora SEE in modelli di dispositivi di fusione, è importante tenere conto della reattività del litio e che formerà ossido di litio in un ambiente tokamak, " disse Capece.

Capece alla fine ha scoperto che, generalmente, diventa più facile per un elettrone rilasciare un elettrone secondario quando il contenuto di ossigeno nei rivestimenti di litio aumenta. La sua ricerca ha quantificato esattamente come la quantità di ossigeno legato al litio nel muro cambia la quantità di elettroni secondari che possono entrare nel plasma. Mentre un aumento della resa SEE potrebbe aumentare la perdita di calore, molte variabili ai margini del plasma potrebbero modificare l'impatto.

Patino ha studiato SEE da una prospettiva diversa. Ha ricercato strutture minuscole, noto come "fuzz, " che si formano sui rivestimenti di tungsteno quando sono stati bombardati da nuclei di elio. Ha osservato che rispetto al tungsteno liscio, il tungsteno con fuzz può ridurre la SEE dal 40 al 60 percento. Questi risultati sono stati significativi perché gli studi dei ricercatori precedenti hanno coinvolto microstrutture fabbricate, mentre in questo studio la peluria di tungsteno è cresciuta da sola. Inoltre, a differenza delle strutture prefabbricate, la riduzione di SEE non dipende dall'angolo con cui gli elettroni si avvicinano alla parete, sia perché gli elettroni secondari sono intrappolati dal fuzz e le fibre nel fuzz sono distribuite casualmente. "Questa mancanza di dipendenza dall'angolo di incidenza è importante per le pareti delle macchine al plasma poiché gli elettroni avranno un impatto sulle pareti con grandi angoli obliqui, " ha detto Patino.

Il suo lavoro è stato pubblicato nel numero di novembre 2016 di Lettere di fisica applicata . Capece è stato pubblicato nel numero di luglio 2016 della stessa rivista. La loro ricerca è stata finanziata dall'Office of Science del DOE (Fusion Energy Sciences). Il lavoro di Patino ha anche ricevuto finanziamenti dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica (AFOSR).

SEE ha attirato per la prima volta l'attenzione degli scienziati del PPPL sia attraverso la sperimentazione che la ricerca teorica sui propulsori al plasma, dispositivi che un giorno potrebbero spingere i veicoli spaziali verso oggetti cosmici distanti. "I ricercatori di PPPL hanno avuto l'idea di utilizzare materiali con architettura superficiale come il velluto di carbonio per sopprimere la SEE e quindi migliorare le prestazioni e la longevità dei propulsori al plasma, " disse Evgenij Raitses, un fisico ricercatore principale presso PPPL e ricercatore principale sui progetti di Patino e Capece.