I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno contribuito a sviluppare un nuovo modello computerizzato della stabilità del plasma in macchine per la fusione a forma di ciambella note come tokamak. Il nuovo modello incorpora scoperte recenti raccolte da sforzi di ricerca correlati e semplifica la fisica coinvolta in modo che i computer possano elaborare il programma più rapidamente. Il modello potrebbe aiutare gli scienziati a prevedere quando un plasma potrebbe diventare instabile e quindi evitare le condizioni sottostanti.

Questa ricerca è stata riportata in un articolo pubblicato su Fisica dei Plasmi nel febbraio 2017, e ha ricevuto finanziamenti dall'Office of Science del DOE (Fusion Energy Sciences).

Il codice di stabilità del plasma è stato scritto in parte da Jack Berkery, un ricercatore presso il Dipartimento di Fisica Applicata e Matematica Applicata della Columbia University che è stato associato con PPPL per quasi 10 anni. Sta lavorando a questo progetto con Steve Sabbagh, un ricercatore senior e professore a contratto di fisica applicata alla Columbia che ha collaborato con PPPL per quasi tre decenni. Sia Berkery che Sabbagh fanno parte del gruppo Columbia a PPPL.

La nuova ricerca è l'ultima dello sforzo congiunto dei fisici per sviluppare un programma per computer di stabilizzazione del plasma più grande e più capace noto come codice DECAF (Disruption Event Characterization and Forecasting) che prevederà e aiuterà a evitare interruzioni.

All'interno dei plasmi tokamak, molte forze si bilanciano per creare un equilibrio stabile. Una forza è una pressione in espansione creata dalle proprietà intrinseche del plasma, una zuppa di particelle caricate elettricamente. Un'altra forza è prodotta da magneti che confinano il plasma, impedendogli di toccare le pareti interne del tokamak e di raffreddarsi.

I fisici e gli ingegneri del plasma vogliono che il plasma sia sotto la massima pressione magnetica possibile, perché alta pressione significa che le particelle di plasma interagiscono più frequentemente, aumentando sia le possibilità che si verifichino reazioni di fusione sia la quantità di calore prodotta dal tokamak. Ricerche passate di Berkery e Sabbagh su macchine tra cui il National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) al PPPL hanno dimostrato che l'alta pressione del plasma può essere contenuta in modo stabile se altre proprietà del plasma, come il modo in cui ruota, hanno caratteristiche particolari.

"Idealmente, vuoi far funzionare i tokamak ad alta pressione perché per ottenere buone prestazioni di fusione, vuoi avere la pressione più alta possibile, "Continuò Berkery. "Purtroppo, quando lo fai, possono sorgere instabilità. Quindi, se riesci a trovare un modo per stabilizzare il plasma, allora puoi far funzionare il tuo tokamak a una pressione più alta."

Il programma aggiornato è stato scritto per prevedere le condizioni che conterrebbero al meglio il plasma ad alta pressione. Il programma, anche se, è solo un componente del codice DECAF, che include molti moduli che monitorano diversi aspetti di un plasma nel tentativo di determinare quando il plasma sta diventando instabile. "Per anni, abbiamo studiato quali condizioni portano all'instabilità e come possiamo cercare di evitare tali condizioni, " ha detto Berkery.

Il codice raccoglie informazioni che includono la densità del plasma, temperatura, e la forma della rotazione del plasma. Quindi calcola quali combinazioni di queste condizioni producono un plasma stabile, scoprendo contemporaneamente quali combinazioni di condizioni producono un plasma instabile. Il nuovo codice cerca specificamente i segni di uno stato instabile in arrivo noto come modalità muro resistivo. Un plasma entra in questo stato quando le forze che causano l'espansione del plasma sono più forti delle forze che confinano il plasma. I campi magnetici intrinseci del plasma quindi si espandono verso l'esterno e colpiscono l'interno delle pareti del tokamak.