Decenni di ricerca sulla fusione hanno portato molti progressi nella nostra comprensione della fisica del plasma, il gas ionizzato caldo nel cuore di un reattore a fusione. Mentre si risponde a molte domande, restano sfide importanti.

Prendere, Per esempio, turbolenza. È generalmente accettato che il trasporto turbolento di particelle, l'energia e la quantità di moto in un reattore tokamak svolgono un ruolo chiave nel determinare il livello di confinamento e le prestazioni del reattore. Ma una comprensione approfondita della turbolenza del plasma e del meccanismo di trasporto, e la capacità di prevederli accuratamente, è un po' più sfuggente.

In una reazione di fusione, l'energia viene rilasciata quando due isotopi di idrogeno vengono fusi insieme per formare un nucleo più pesante, elio e un neutrone libero altamente energetico. Per ottenere velocità di reazione sufficientemente elevate da rendere la fusione un'utile fonte di energia, l'idrogeno contenuto all'interno del nocciolo del reattore deve essere riscaldato a temperature estremamente elevate, più di 100 milioni di gradi Celsius, che lo trasformano in plasma caldo. In alcuni reattori, vengono quindi utilizzati forti campi magnetici per "contenere" il plasma e impedirgli di toccare le pareti dei vasi, un processo noto come confinamento magnetico.

Quindi c'è molto da fare all'interno del plasma mentre si riscalda. Spinto da forze elettriche e magnetiche, le particelle cariche turbinano e si scontrano l'una con l'altra, e la temperatura e la densità centrali sono in continua evoluzione. Inoltre, le instabilità del plasma, note anche come turbolenze, interrompono la capacità del reattore di produrre energia sostenibile aumentando il tasso di perdita di calore.

Fortunatamente, nuove simulazioni al supercomputer stanno rendendo più facile prevedere in modo più accurato gli aspetti chiave del comportamento del plasma. Un team di fisici dell'Università della California a San Diego (UCSD), Il Plasma Science and Fusion Center del MIT e il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hanno eseguito una serie di simulazioni girocinetiche multiscala presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Lawrence Berkeley National Laboratory per determinare se il trasporto di energia degli elettroni in una scarica di plasma tokamak è di natura multiscala . Essere in grado di prevedere con precisione il trasporto di energia degli elettroni è fondamentale per prevedere le prestazioni nei futuri reattori come ITER, attualmente in costruzione a Cadarache, Francia.

"In un reattore a fusione, la maggior parte del calore generato nel plasma sarà trasportata dagli elettroni, " ha detto Chris Holland, uno scienziato ricercatore nel Centro per la ricerca sull'energia presso la UCSD e autore principale di un recente studio in Fusione nucleare descrivendo questo lavoro. Questo studio si basa su ricerche precedenti di Holland e colleghi del MIT e della General Atomics in cui hanno utilizzato simulazioni multiscala per studiare in modo più preciso le instabilità di turbolenza che causano la perdita di calore del plasma.

Queste ultime simulazioni, che sono stati eseguiti con il codice di turbolenza del plasma girocinetico GYRO e hanno utilizzato quasi 70 milioni di ore di tempo di calcolo sul sistema Edison di NERSC, corrispondeva alle condizioni misurate in una corsa al plasma presso il reattore tokamak DIII-D utilizzando lo scenario di base ITER. Il tokamak DIII-D, situato presso la General Atomics, è stato utilizzato dagli anni '80 per sviluppare le tecniche necessarie per far funzionare ITER e studiarne l'impatto sulle prestazioni del reattore.

Dopo aver esaminato le nuove simulazioni multiscala, il team di ricerca ha scoperto che il trasporto di energia degli elettroni in questi plasmi sembra avere un forte carattere multiscala, la prima di tali prove della natura multiscala del trasporto di elettroni per condizioni come quelle previste in ITER. Le simulazioni hanno mostrato che per queste condizioni, il trasporto degli elettroni avverrà su una gamma di scale molto più ampia (da cui il termine "multiscala") rispetto a molti esperimenti precedenti, e che ci sono forti accoppiamenti non lineari tra le diverse scale che le simulazioni precedenti non sono state in grado di risolvere.

Questi risultati estendono ulteriormente la nostra conoscenza di ciò che sta accadendo all'interno degli attuali esperimenti di ricerca sui tokamak e nei futuri reattori sperimentali come ITER, che dovrebbe migliorare la progettazione del reattore. Inoltre, le nuove simulazioni possono essere utilizzate come strumento predittivo diretto dai ricercatori sull'energia da fusione per incapsulare la fisica del plasma in un reattore a fusione e produrre modelli ridotti per la progettazione di reattori futuri, ha notato l'Olanda.

"È fondamentale fare questo tipo di simulazioni per identificare quali fenomeni aspettarsi in un futuro reattore e come potrebbe essere diverso dagli esperimenti attuali, " ha detto. "Ma se vuoi fare una previsione effettiva di come si comporterà un esperimento come ITER, dovresti fare decine o centinaia di queste simulazioni, che è ancora certamente al di là di ciò che possiamo fare ora. Quindi è importante non solo fare queste simulazioni ma usarle per capire la fisica, produrre modelli più efficienti dal punto di vista computazionale e fare previsioni di simulazione integrate dell'intero dispositivo".