Gli scienziati che cercano di portare la fusione, il potere che guida il sole e le stelle, sulla Terra devono prima rendere lo stato della materia chiamato plasma abbastanza surriscaldato da sostenere le reazioni di fusione. Ciò richiede di riscaldare il plasma a molte volte la temperatura del nucleo del sole. In ITER, l'impianto internazionale per la fusione in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione, il dispositivo riscalderà sia gli elettroni liberi che i nuclei atomici, o ioni, che compongono il plasma. La domanda è, cosa farà questa miscela di riscaldamento alla temperatura e alla densità del plasma che sono cruciali per la produzione di fusione?

Una nuova ricerca indica che la comprensione del riscaldamento combinato mostra come potremmo migliorare la produzione di fusione in ITER e in altri impianti di fusione di prossima generazione, una scoperta chiave dei fisici del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), il DIII-D National Fusion Facility che General Atomics gestisce per il DOE, e altri collaboratori. "Questo mostra cosa succede quando il riscaldamento degli elettroni viene aggiunto al riscaldamento degli ioni, " ha detto il fisico PPPL Brian Grierson, che ha condotto i test di un modello computerizzato che ha proiettato i risultati di DIII-D su ITER.

Il modello, creato da Gary Staebler di General Atomics e riportato in un articolo in Fisica dei Plasmi con Grierson come primo autore, ha studiato i risultati sperimentali di DIII-D in condizioni che imitano quelle previste in ITER. Diagnostica fornita dall'Università del Wisconsin-Madison e dall'Università della California, Los Angeles ha misurato la turbolenza risultante, o fluttuazioni e vortici casuali, che ha avuto luogo nel plasma.

Turbolenza multiscala

Le misurazioni hanno rivelato turbolenze con lunghezze d'onda da corte a lunghe causate dal riscaldamento di elettroni e ioni, rispettivamente. La combinazione ha prodotto una turbolenza "multiscala" che ha modificato il modo in cui le particelle e il calore fuoriescono dal plasma. La turbolenza può ridurre la velocità delle reazioni di fusione.

Il riscaldamento combinato di elettroni e ioni ha alterato il gradiente, o tasso spaziale di variazione della densità del plasma. Questa scoperta è stata significativa perché la potenza di fusione prodotta da ITER e altri tokamak di prossima generazione aumenterà con l'aumentare della densità. Inoltre, l'aumento è avvenuto senza che le impurità si accumulassero nel nucleo del plasma e lo raffreddassero, che potrebbe fermare le reazioni di fusione.

Gli scienziati hanno utilizzato un modello di "fisica ridotta" chiamato TGLF che ha semplificato le simulazioni massicciamente parallele e costose della turbolenza multiscala che richiedono milioni di ore di tempo di calcolo sui supercomputer. I ricercatori hanno eseguito questa versione semplificata centinaia di volte su computer PPPL per testare l'impatto sul modello delle incertezze derivanti dagli esperimenti DIII-D.

"Il modello TGLF sfrutta le deboli proprietà di turbolenza di tokamak come ITER, " ha affermato Staebler. "Calcola approssimativamente il trasporto del plasma miliardi di volte più velocemente di una simulazione di turbolenza girocinetica multiscala eseguita su supercomputer ad alte prestazioni".

Impatto del riscaldamento degli elettroni

Il modello ha esaminato specificamente l'impatto del riscaldamento degli elettroni sul mix di riscaldamento complessivo. I ricercatori producono tale riscaldamento puntando le microonde sugli elettroni che ruotano attorno alle linee del campo magnetico, un processo che aumenta l'energia termica degli elettroni, lo trasferisce agli ioni per collisione, e integra il riscaldamento degli ioni mediante iniezione di fasci neutri.

I risultati hanno indicato che lo studio della turbolenza multiscala sarà essenziale per comprendere come affrontare l'effetto multiscala sul trasporto di calore, particelle e quantità di moto nei tokamak di nuova generazione, o dispositivi di fusione, Grierson ha notato. "Dobbiamo comprendere il trasporto sotto riscaldamento di ioni ed elettroni per proiettare con sicurezza i futuri reattori, " Egli ha detto, "perché le centrali a fusione avranno entrambi i tipi di riscaldamento".