Una questione chiave per i reattori a fusione di nuova generazione è il possibile impatto di molti instabili Alfvén eigenmodes, disturbi simili a onde prodotti dalle reazioni di fusione che si propagano attraverso il plasma in strutture di fusione a forma di ciambella chiamate "tokamak". Il carburante al deuterio e al trizio reagisce quando viene riscaldato a temperature vicine a 100 milioni di gradi Celsius, producendo ioni di elio ad alta energia chiamati particelle alfa che riscaldano il plasma e sostengono le reazioni di fusione.

Queste particelle alfa sono ancora più calde del carburante e hanno così tanta energia da poter guidare gli automodi Alfvén che consentono alle particelle di fuoriuscire dalla camera di reazione prima che possano riscaldare il plasma. Comprendere queste onde e come aiutano le particelle alfa a fuggire è un argomento di ricerca chiave nella scienza della fusione.

Se solo una o due di queste onde sono eccitate nella camera di reazione, l'effetto sulle particelle alfa e sulla loro capacità di riscaldare il combustibile è limitato. Però, i teorici hanno predetto da tempo che se molte di queste onde sono eccitate, possono espellere collettivamente molte particelle alfa, mettendo in pericolo le pareti della camera del reattore e l'efficiente riscaldamento del combustibile.

Recenti esperimenti condotti sul DIII-D National Fusion Facility, che General Atomics opera per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) a San Diego, hanno rivelato prove che confermano queste previsioni teoriche. Perdite fino al 40% di particelle ad alta energia si osservano negli esperimenti in cui molte onde Alfvén sono eccitate da ioni di fasci di deuterio usati per simulare particelle alfa e ioni di fasci di energia superiore in un reattore a fusione come ITER, che è ora in costruzione nel sud della Francia.

Sulla scia di questa ricerca, i fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del DOE hanno prodotto un modello quantitativamente accurato dell'impatto di queste onde di Alfvén sui fasci di deuterio ad alta energia nel tokamak DIII-D. Hanno usato codici di simulazione chiamati NOVA e ORBIT per prevedere quali onde di Alfvén sarebbero state eccitate e il loro effetto sul confinamento delle particelle ad alta energia.

I ricercatori hanno confermato la previsione del modello NOVA secondo cui oltre 10 onde instabili di Alfvén possono essere eccitate dai fasci di deuterio nell'esperimento DIII-D. Per di più, in accordo quantitativo con i risultati sperimentali, la modellazione prevedeva che fino al 40% delle particelle energetiche sarebbe andato perduto. La modellazione ha dimostrato per la prima volta, in questo tipo di plasma ad alte prestazioni, che si possono fare previsioni quantitativamente accurate per l'effetto di più onde di Alfvén sul confinamento di particelle energetiche nel tokamak DIII-D.

"Il nostro team ha confermato che possiamo prevedere quantitativamente le condizioni in cui le particelle alfa di fusione possono essere perse dal plasma sulla base dei risultati ottenuti dalla modellazione degli esperimenti DIII-D", ha affermato Gerrit Kramer, un fisico di ricerca PPPL e autore principale di un articolo che descrive i risultati della modellazione nel numero di maggio della rivista Fusione nucleare .

I risultati congiunti hanno segnato un potenziale grande progresso nella comprensione del processo. "Questi risultati mostrano che ora abbiamo una forte comprensione delle singole onde eccitate dalle particelle energetiche e di come queste onde lavorano insieme per espellere le particelle energetiche dal plasma, " ha detto il fisico Raffi Nazikian, capo del dipartimento ITER e Tokamaks del PPPL e capofila della collaborazione del laboratorio con DIII-D.

Il modello NOVA+ORBIT ha inoltre indicato che determinate condizioni del plasma potrebbero ridurre drasticamente il numero di onde Alfvén e quindi ridurre le perdite di particelle energetiche. Tali onde e le perdite che producono potrebbero essere minimizzate se si potesse ampliare il profilo della corrente elettrica al centro del plasma, secondo l'analisi presentata nell'articolo scientifico.

Esperimenti per testare queste idee per ridurre le perdite di particelle energetiche saranno condotti in una successiva campagna di ricerca su DIII-D. "Nuovi aggiornamenti alla struttura DIII-D consentiranno l'esplorazione di migliori condizioni del plasma, Nazikian ha detto. "Nuovi esperimenti sono proposti per accedere alle condizioni previste dalla teoria per ridurre le perdite di particelle energetiche, con importanti implicazioni per la progettazione ottimale dei futuri reattori".