Gli uccelli lo fanno e anche le strutture di fusione a forma di ciambella chiamate "tokamak". Ma il cinguettio del tokamak, un'onda di frequenza in rapido cambiamento che può essere molto al di sopra di ciò che l'orecchio umano può rilevare, difficilmente è il benvenuto per i ricercatori che cercano di portare la fusione che alimenta il sole e le stelle sulla Terra. Tale cinguettio segnala una perdita di calore che può rallentare le reazioni di fusione, una perdita che ha a lungo sconcertato gli scienziati.

Ad aggravare il puzzle è che alcuni tokamak cinguettano più frequentemente di altri. Per esempio, i cinguettii si sono verificati comunemente nel National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) presso il Princeton Plasma Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, ma sono stati rari nel tokamak DIII-D National Fusion Facility che la General Atomics opera per il DOE a San Diego. Capire perché alcuni tokamak emettono un cinguettio e altri no è importante in modo che i ricercatori possano prevedere e infine imparare a evitare tale cinguettio nel tokamak di ITER, il reattore internazionale a fusione che si sta costruendo nel sud della Francia per dimostrare la praticità dell'energia da fusione.

In un reattore a fusione come ITER, le reazioni di fusione producono "ioni veloci" - nuclei atomici altamente energetici su cui gli scienziati fanno affidamento per mantenere le alte temperature del plasma necessarie per mantenere caldo il plasma. Tali ioni sono come un vento veloce che, a determinate condizioni, possono eccitare onde chiamate "onde Alfvén" nel plasma caldo, proprio come le note musicali prodotte dal soffio di uno strumento a fiato. Se il vento veloce di ioni è abbastanza forte, le onde di Alfvén iniziano a cinguettare, che causerà perdita di energia, riducendo la temperatura del plasma e la potenza di fusione.

Condizioni che portano al cinguettio

Gli scienziati guidati dai ricercatori PPPL hanno ora modellato le condizioni del plasma che danno origine al cinguettio e prevedono quando si verificherà. Il modello informatico, testato con successo sul tokamak DIII-D, descrive l'impatto della turbolenza, la fluttuazione casuale del plasma che può portare a calore e perdita di particelle, sugli ioni veloci. Il modello mostra che la turbolenza nel plasma aiuta a rompere o disperdere il vento ionico veloce. Se la dispersione è abbastanza forte, gli ioni veloci non hanno più la forza di causare il cinguettio dell'onda di Alfvén e la perdita di calore dal plasma può essere ridotta.

Fino a poco tempo fa, trovare prove dirette del ruolo della turbolenza nell'influenzare la forza del vento ionico veloce e il suo ruolo nel cinguettio è stato impegnativo. Recenti esperimenti DIII-D hanno ora rivelato l'intima connessione tra i livelli di turbolenza e il cinguettio del plasma.

In questi esperimenti, il vento ionico veloce ha prodotto una singola nota di Alfvén nel plasma, proprio come una singola nota in uno strumento a fiato. Quindi, quando il plasma passa spontaneamente in un nuovo stato di confinamento migliorato con bassi livelli di turbolenza, la nota di Alfvén comincia a cinguettare rapidamente.

Questo inizio di cinguettio è chiaramente legato alla riduzione della turbolenza, poiché la turbolenza più bassa non può più disperdere il vento ionico veloce, permettendogli di accumularsi sufficientemente per guidare le onde di Alfvén più forti e farle iniziare a cinguettare. "Il movimento coerente dei fasci di ioni veloci quando la turbolenza diminuisce dà luogo al cinguettio e alla perdita e al calore associati al cinguettio, " disse Vinicius Duarte, un fisico ricercatore associato PPPL ed ex visiting scientist presso l'Università di San Paolo, Brasile, chi è l'autore principale di un articolo che descrive i risultati in Fisica dei Plasmi e presentato come "Scilight" - un punto culminante della scienza - dall'American Institute of Physics.

Perché alcuni plasmi cinguettano?

La teoria sviluppata da Duarte indica anche perché alcuni plasmi cinguettano e altri no. La spiegazione è che la turbolenza è molto meno efficace nel disperdere il vento ionico veloce in alcuni dispositivi rispetto ad altri. Il prossimo passo sarà usare questa conoscenza per progettare metodi per prevenire il cinguettio negli esperimenti attuali, e utilizzare tali metodi nella progettazione di futuri reattori a fusione come ITER.