Nella ricerca dell'energia da fusione, gli scienziati hanno trascorso decenni a sperimentare modi per rendere il combustibile al plasma abbastanza caldo e denso da generare una significativa potenza di fusione. Al MIT, i ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sull'uso del riscaldamento a radiofrequenza (RF) in esperimenti di fusione a confinamento magnetico come il tokamak Alcator C-Mod, che ha completato la sua corsa finale nel settembre 2016.

Ora, utilizzando i dati degli esperimenti C-Mod, ricercatori sulla fusione presso il Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT, insieme ai colleghi in Belgio e nel Regno Unito, hanno creato un nuovo metodo per riscaldare i plasmi di fusione nei tokamak. Il nuovo metodo ha portato ad aumentare tracce di ioni a energie di megaelettronvolt (MeV), un ordine di grandezza maggiore di quanto precedentemente raggiunto.

"Questi intervalli di energia più elevati sono nella stessa gamma dei prodotti di fusione attivati, "Il ricercatore della PSFC John C. Wright spiega. "Essere in grado di creare tali ioni energetici in un dispositivo non attivato, non facendo un'enorme quantità di fusione, è vantaggioso, perché possiamo studiare come si comportano gli ioni con energie paragonabili ai prodotti della reazione di fusione, quanto bene sarebbero stati confinati."

Il nuovo approccio, recentemente dettagliato sulla rivista Fisica della natura , utilizza un combustibile composto da tre specie ioniche:idrogeno, deuterio, e tracce (meno dell'1%) di elio-3. Tipicamente, il plasma utilizzato per la ricerca sulla fusione in laboratorio sarebbe composto da due specie di ioni, deuterio e idrogeno o deuterio e He-3, con il deuterio che domina la miscela fino al 95%. I ricercatori concentrano l'energia sulle specie minoritarie, che si riscalda a energie molto più elevate a causa della sua frazione più piccola della densità totale. Nel nuovo schema delle tre specie, tutta l'energia RF viene assorbita solo da una traccia di He-3 e l'energia ionica viene ulteriormente potenziata, fino alla gamma di prodotti di fusione attivati.

Wright è stato ispirato a perseguire questa ricerca dopo aver partecipato a una conferenza nel 2015 su questo scenario di Yevgen Kazakov, un ricercatore presso il Laboratorio di Fisica del Plasma a Bruxelles, Belgio, e l'autore principale dell'articolo Nature Physics. Wright ha suggerito al MIT di testare queste idee utilizzando Alcator C-Mod, con Kazakov e il suo collega Jef Ongena che collaborano da Bruxelles.

Al MIT, Il ricercatore del PSFC Stephen Wukitch ha aiutato a sviluppare lo scenario ed eseguire l'esperimento, mentre il professor Miklos Porkolab ha contribuito con la sua esperienza sul riscaldamento RF. Il ricercatore Yijun Lin è stato in grado di misurare la complessa struttura delle onde nel plasma con l'esclusiva diagnostica per immagini a contrasto di fase (PCI) del PSFC, che è stato sviluppato negli ultimi due decenni da Porkolab e dai suoi studenti laureati. Il ricercatore Ted Golfinopoulos ha supportato l'esperimento monitorando l'effetto degli ioni della gamma MeV sulle misurazioni delle fluttuazioni del plasma.

I risultati positivi su C-Mod hanno fornito una prova di principio, abbastanza per ottenere scienziati al Joint European Torus (JET) del Regno Unito, Il più grande dispositivo di fusione d'Europa, interessati a riprodurre i risultati. come JET, C-Mod operava con un campo magnetico e una pressione del plasma paragonabili a quelli che sarebbero necessari in un futuro dispositivo in grado di fondere. I due tokamak avevano anche capacità diagnostiche complementari, consentendo a C-Mod di misurare le onde coinvolte nella complessa interazione onda-particella, mentre JET è stato in grado di misurare direttamente le particelle della gamma MeV.

John Wright elogia la collaborazione.

"La gente del JET ha avuto un'ottima diagnostica delle particelle energetiche, in modo che potessero misurare direttamente questi ioni ad alta energia e verificare che fossero davvero lì, " dice. "Il fatto che avessimo una teoria di base realizzata su due dispositivi diversi in due continenti si è unito per produrre una carta forte".

Porkolab suggerisce che il nuovo approccio potrebbe essere utile per la collaborazione del MIT con lo stellarator Wendelstein 7-X presso il Max Planck Institute for Plasma Physics a Greifswald, Germania, dove la ricerca è in corso su una delle questioni fondamentali della fisica:quanto bene sono confinati gli ioni energetici rilevanti per la fusione. L'articolo di Nature Physics rileva inoltre che gli esperimenti potrebbero fornire informazioni sull'abbondante flusso di ioni He-3 osservato nei brillamenti solari.