Un problema importante per ITER, il tokamak internazionale in costruzione in Francia che sarà il primo dispositivo a fusione magnetica per produrre energia netta, è se le piastre del deviatore cruciali che esaureranno il calore disperso dal dispositivo possono sopportare l'elevato flusso di calore, o caricare, che li colpirà. Proiezioni allarmanti estrapolate dai tokamak esistenti suggeriscono che il flusso di calore potrebbe essere così stretto e concentrato da danneggiare le piastre del deviatore in tungsteno nei sette piani, 23, 000 tonnellate di tokamak e richiedono riparazioni frequenti e costose. Questo flusso potrebbe essere paragonabile al carico di calore sperimentato dal veicolo spaziale che rientra nell'atmosfera terrestre.

Le nuove scoperte di un team internazionale guidato dal fisico C.S. Chang del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) dipingono un quadro più positivo. Risultati della collaborazione, che ha trascorso due anni a simulare il flusso di calore, indicano che la larghezza potrebbe rientrare ampiamente nella capacità di tollerabilità delle piastre del deviatore.

Buone notizie per ITER

"Questa potrebbe essere un'ottima notizia per ITER, "Chang ha detto dei risultati, pubblicato ad agosto sulla rivista Fusione nucleare . "Questo indica che ITER può produrre 10 volte più energia di quella che consuma, come programmato, senza danneggiare prematuramente le piastre del deviatore."

A ITER, portavoce Laban Coblentz, ha affermato che le simulazioni sono di grande interesse e di grande rilevanza per il progetto ITER. Ha detto che ITER sarebbe ansioso di vedere un benchmarking sperimentale, eseguita ad esempio dal Joint European Torus (JET) presso il Culham Centre for Fusion Energy nel Regno Unito, rafforzare la fiducia nei risultati della simulazione.

Il team di Chang ha utilizzato il codice di simulazione al computer della turbolenza al plasma XGC1 altamente sofisticato sviluppato presso PPPL per creare la nuova stima. La simulazione ha proiettato una larghezza di 6 millimetri per il flusso di calore in ITER misurato in modo standardizzato tra tokamak, molto maggiore della larghezza inferiore a 1 millimetro proiettata attraverso l'uso di dati sperimentali.

I ricercatori delle principali strutture mondiali hanno ricavato proiezioni di larghezza ridotta dai dati sperimentali. Negli Stati Uniti, questi tokamak erano il National Spherical Torus Experiment prima del suo aggiornamento al PPPL; la struttura Alcator C-Mod al MIT, che ha cessato l'attività alla fine del 2016; e il DIII-D National Fusion Facility che la General Atomics gestisce per il DOE a San Diego.

Condizioni molto diverse

La discrepanza tra le proiezioni sperimentali e le previsioni di simulazione, disse Chang, deriva dal fatto che le condizioni all'interno di ITER saranno troppo diverse da quelle dei tokamak esistenti perché le previsioni empiriche siano valide. Le differenze chiave includono il comportamento delle particelle di plasma all'interno delle macchine odierne rispetto al comportamento previsto delle particelle in ITER. Per esempio, mentre gli ioni contribuiscono in modo significativo all'ampiezza del calore nelle tre macchine statunitensi, gli elettroni turbolenti giocheranno un ruolo maggiore in ITER, rendere inattendibili le estrapolazioni.

Il team di Chang ha utilizzato i principi della fisica di base, piuttosto che proiezioni empiriche basate sui dati delle macchine esistenti, per derivare la previsione più ampia simulata. Il team ha prima testato se il codice poteva prevedere l'ampiezza del flusso di calore prodotto negli esperimenti sui tokamak statunitensi, e ha trovato valide le previsioni.

I ricercatori hanno quindi utilizzato il codice per proiettare l'ampiezza del flusso di calore in un modello stimato di plasma edge ITER. La simulazione ha previsto la maggiore ampiezza del flusso di calore che sarà sostenibile all'interno dell'attuale progetto di ITER.

Simulazione abilitata dai supercomputer

I supercomputer hanno reso possibile questa simulazione. La convalida del codice sui tokamak esistenti e la produzione dei risultati hanno richiesto circa 300 milioni di ore core su Titano e Cori, due dei più potenti supercomputer statunitensi, ospitato presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility del DOE e il National Energy Research Scientific Computing Center, rispettivamente. Un'ora principale è un processore, o nucleo, in esecuzione per un'ora.