Risultati di simulazione che indicano che l'aumento della frequenza di collisione determina la diminuzione dell'instabilità degli elettroni intrappolati. In un plasma elicoidale LHD (a sinistra) e in un plasma tokamak (a destra), all'aumentare della frequenza di collisione in un plasma a densità più elevata, la forza delle instabilità nel plasma di idrogeno (rosso) e nel plasma di deuterio (blu) si inverte. Le instabilità si indeboliscono (cioè sono stabilizzati) in plasmi con massa ionica maggiore, e la turbolenza è soppressa. I punti e le linee tratteggiate indicano, rispettivamente, la quantità di calore dissipato e il regime di collisione relativo ai reattori a fusione. Credito:Dr. Motoki Nakata
Cercando di migliorare ulteriormente le prestazioni del plasma, dal 7 marzo, 2017, esperimenti al plasma che utilizzano ioni deuterio, che hanno il doppio della massa dell'idrogeno, sono stati avviati nel Large Helical Device (LHD) presso il National Institute for Fusion Science (NIFS). In numerosi esperimenti sul plasma condotti in paesi di tutto il mondo, l'uso del deuterio sta migliorando il confinamento del calore e delle particelle. Questo è, il fenomeno chiamato "effetto massa ionica, " in cui le prestazioni del plasma sono migliorate, è osservato. Però, non comprendiamo ancora il meccanismo fisico dettagliato di come l'aumento della massa ionica sia legato al miglioramento delle prestazioni. Questo è stato uno dei più importanti problemi irrisolti nella fisica del plasma e nella ricerca sulla fusione sin dall'inizio.
Nei plasmi confinati nel campo magnetico ci sono vari tipi di onde. In particolari condizioni quelle onde crescono col passare del tempo, e si verifica la cosiddetta "instabilità" e il plasma diventa turbolento. Secondo la ricerca fino ad oggi, è stato scoperto che si verifica una struttura di flusso unica chiamata "flusso zonale" che si forma spontaneamente in un plasma turbolento. I flussi zonali prendono la struttura a strisce che scorre in direzione opposta l'uno all'altro, e questi flussi sono noti per svolgere un ruolo importante nella soppressione della turbolenza. Però, rimangono molti aspetti non chiariti riguardo alle condizioni da cui si formano turbolenze e flussi zonali. Se le influenze provocate dalle differenze nella massa ionica possono essere chiarite teoricamente, possiamo prevedere con precisione i miglioramenti di confinamento osservati negli esperimenti. E poiché possiamo collegare il miglioramento del confinamento a un ulteriore miglioramento delle prestazioni del plasma, sono previsti nuovi sviluppi nella ricerca.
Il gruppo di ricerca del professor Motoki Nakata, attraverso la ricerca collaborativa con il professor Tomohiko Watanabe dell'Università di Nagoya, ha condotto simulazioni di turbolenza al plasma a cinque dimensioni utilizzando il "Plasma Simulator" presso NIFS e il supercomputer all'avanguardia "K" presso il RIKEN Advanced Institute for Computational Science al fine di analizzare le instabilità (modalità di elettroni intrappolati) causate da elettroni che si muovono avanti e indietro lungo le linee del campo magnetico e di analizzare in dettaglio la turbolenza generata dall'instabilità. Di conseguenza, abbiamo chiarito che l'influenza della massa ionica è apparsa notevolmente in un plasma ad alta densità e che il meccanismo fisico dettagliato in cui la turbolenza viene soppressa attraverso un effetto causato dalle collisioni elettrone-ione. Ulteriore, abbiamo scoperto che questi fenomeni esistono sia nel plasma elicoidale che in quello tokamak. Così, siamo stati in grado di chiarire l'"effetto massa ionica" ampiamente osservato e uno dei meccanismi importanti per migliorare le prestazioni del plasma.
Confronto della turbolenza nel plasma elicoidale LHD (a sinistra) e nel plasma tokamak (a destra). Nell'area di colore rosso, si generano forti vortici e onde. In un plasma di deuterio con una grande massa ionica, i flussi zonali frantumano vortici e onde in piccole dimensioni e sopprimono la turbolenza. Il flusso zonale si forma in modo più significativo nel caso in cui le instabilità siano deboli (in basso). Credito:Dr. Motoki Nakata
Il meccanismo dettagliato che sopprime la turbolenza è spiegato di seguito. La turbolenza causata dall'instabilità degli elettroni intrappolati indebolisce il confinamento del calore e delle particelle del plasma. Le collisioni tra elettroni e ioni intrappolati sopprimono le instabilità (sopprimendo la crescita delle onde). A temperatura fissa, le collisioni si verificano frequentemente a densità di plasma più elevate. Qui, gli impatti delle collisioni nel plasma di deuterio sono notevoli rispetto all'idrogeno. Di conseguenza, la turbolenza può essere soppressa (Figura 1). Ulteriore, abbiamo chiarito che nella condizione in cui l'instabilità si è attenuata, il "flusso zonale" diventa più forte e sopprime ulteriormente la turbolenza macinando grandi vortici e onde, ed eventualmente migliora il confinamento di calore e particelle (Figura 2).
Come è stato chiarito sopra, un'immagine completa della soppressione della turbolenza in un plasma con una grande massa ionica può essere espressa schematicamente come nella Figura 3. Questi risultati della ricerca forniscono conoscenze fondamentali per quanto riguarda il completo chiarimento dell'"effetto massa ionica" che è stato un problema irrisolto per molti anni nella fisica del plasma e ricerca sulla fusione. Ulteriore, si prevede che i risultati saranno utili nel migliorare il plasma non solo nei dispositivi elicoidali come LHD, ma anche nei tokamak come rappresentato dall'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), che è attualmente in costruzione.
Un'immagine schematica dell'instabilità degli elettroni intrappolati e del meccanismo per la soppressione della turbolenza nel plasma di deuterio. Quando la massa ionica è maggiore, le instabilità si riducono e il flusso zonale aumenta, e la perdita di calore e particelle nel plasma viene soppressa. Credito:Dr. Motoki Nakata
