Una sfida chiave nella ricerca sulla fusione è mantenere la stabilità del caldo, plasma carico che alimenta le reazioni di fusione all'interno di strutture a forma di ciambella chiamate "tokamak". Fisici presso il Dipartimento di Fisica del Plasma (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), hanno recentemente scoperto che le particelle alla deriva nel plasma, che consiste di elettroni liberi e nuclei atomici, può prevenire instabilità che riducono la pressione cruciale per reazioni di fusione ad alte prestazioni all'interno di queste strutture.

Fusione, la forza che spinge il sole e le altre stelle, è la fusione di elementi leggeri sotto forma di plasma che produce enormi quantità di energia. Gli scienziati del PPPL cercano di studiare e replicare la fusione riscaldando il plasma a temperature molto elevate all'interno di un tokamak e confinandolo sotto pressione in una spirale, campi magnetici. I fisici usano il termine "beta" per caratterizzare come la pressione del calore prodotto da un tokamak si confronta con la pressione del campo magnetico utilizzato per contenere il plasma.

La ricerca guidata da Zhirui Wang ha utilizzato i dati del National Spherical Torus Experiment (NSTX), un tokamak sferico a PPPL a forma di mela dal torsolo che produce plasma ad alto beta. I risultati dello studio spiegano come le particelle che si spostano e rimbalzano all'interno dei campi possono stabilizzare plasmi ad alta pressione e ad alte prestazioni.

Tali particelle rimangono intrappolate e rimbalzano avanti e indietro all'interno di una porzione limitata dei campi magnetici invece di attraversare la loro intera circonferenza intorno alla macchina. Le porzioni stesse possono spostarsi intorno alla macchina. Il rimbalzo e la deriva possono dissipare energia che potrebbe altrimenti destabilizzare il plasma e interferire con le reazioni di fusione, i fisici trovarono.

I ricercatori hanno inizialmente notato discrepanze tra i dati NSTX e le previsioni di simulazione. La modifica del codice per tenere conto delle particelle intrappolate ha migliorato l'accordo producendo simulazioni che suggeriscono che il plasma sarebbe rimasto stabile più a lungo ad alta pressione, come hanno mostrato gli esperimenti NSTX. "Abbiamo scoperto che i tokamak possono raggiungere un beta più alto perché il plasma sarà stabilizzato da questi effetti cinetici, " ha detto Wang, autore principale di un articolo che descrive i risultati sulla rivista Nuclear Fusion.

Simulazioni cinetiche migliorate potrebbero anche portare a migliori previsioni e controllo delle instabilità del plasma note come modalità localizzate ai bordi (ELM), che appaiono ai margini dei plasmi ad alto confinamento e rilasciando grandi quantità di energia alla parete possono danneggiare in modo significativo i componenti rivolti verso il plasma in un reattore a fusione. Previsioni migliori consentirebbero agli scienziati di prevedere quando sta per verificarsi un ELM e di regolare i controlli magnetici in modo che l'instabilità sia mitigata o completamente soppressa prima che eroda i materiali che circondano il plasma di fusione.

I risultati complessivi di questa ricerca potrebbero portare a una migliore realizzazione di plasmi di fusione ad alte prestazioni negli attuali tokamak e in ITER, l'esperimento internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione.