Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, produce enormi quantità di energia. Gli scienziati qui sulla Terra cercano di replicare questo processo, che fonde elementi luminosi sotto forma di caldo, plasma carico composto da elettroni liberi e nuclei atomici, creare una riserva di energia virtualmente inesauribile per generare elettricità in quella che può essere definita una "stella in vaso".

Un enigma di lunga data nello sforzo di catturare il potere della fusione sulla Terra è come ridurre o eliminare un'instabilità comune che si verifica nel plasma chiamata modalità localizzate ai bordi (ELM). Proprio come il sole rilascia enormi esplosioni di energia sotto forma di brillamenti solari, così esplosioni simili a bagliori di ELM possono sbattere contro le pareti di tokamak a forma di ciambella che ospitano reazioni di fusione, potenzialmente danneggiando le pareti del reattore.

Le increspature controllano nuove esplosioni

Per controllare queste raffiche, gli scienziati disturbano il plasma con piccole increspature magnetiche chiamate perturbazioni magnetiche risonanti (RMP) che distorcono il liscio, forma a ciambella del plasma, rilasciando una pressione in eccesso che riduce o impedisce il verificarsi di ELM. La parte difficile è produrre la giusta quantità di questa distorsione 3-D per eliminare gli ELM senza innescare altre instabilità e rilasciare troppa energia che, Nel peggiore dei casi, può portare a una grave interruzione che interrompe il plasma.

A rendere il compito eccezionalmente difficile è il fatto che un numero virtualmente illimitato di distorsioni magnetiche può essere applicato al plasma, rendendo la ricerca del giusto tipo di distorsione una sfida straordinaria. Ma non più.

Fisico Jong-Kyu Park del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), lavorando con un team di collaboratori degli Stati Uniti e del National Fusion Research Institute (NFRI) in Corea, hanno previsto con successo l'intera serie di distorsioni 3D vantaggiose per il controllo degli ELM senza creare ulteriori problemi. I ricercatori hanno convalidato queste previsioni sulla struttura coreana Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), uno dei tokamak superconduttori più avanzati al mondo, situato a Daejeon, Corea del Sud.

KSTAR ideale per i test

KSTAR era l'ideale per testare le previsioni grazie ai suoi avanzati controlli magnetici per generare distorsioni precise nel quasi perfetto, simmetria del plasma a forma di ciambella. Identificare le distorsioni più vantaggiose, che ammontano a meno dell'uno per cento di tutte le possibili distorsioni che potrebbero essere prodotte all'interno di KSTAR, sarebbe stato praticamente impossibile senza il modello predittivo sviluppato dal team di ricerca.

Il risultato è stato un successo che ha stabilito un precedente. "Mostriamo per la prima volta l'intera finestra operativa 3-D sul campo in un tokamak per sopprimere gli ELM senza suscitare instabilità del nucleo o confinamento eccessivamente degradante, " disse Parco, il cui articolo—scritto con 14 coautori degli Stati Uniti e della Corea del Sud—è pubblicato in Fisica della natura . "Per molto tempo abbiamo pensato che sarebbe stato troppo difficile dal punto di vista computazionale identificare tutti i campi benefici che rompono la simmetria, ma il nostro lavoro ora dimostra una semplice procedura per identificare l'insieme di tutte queste configurazioni."

I ricercatori hanno ridotto la complessità dei calcoli quando si sono resi conto che il numero di modi in cui il plasma può distorcere è in realtà molto inferiore alla gamma di possibili campi 3D che possono essere applicati al plasma. Lavorando a ritroso, dalle distorsioni ai campi 3D, gli autori hanno calcolato i campi più efficaci per eliminare gli ELM. Gli esperimenti KSTAR hanno confermato le previsioni con notevole accuratezza.

I risultati forniscono nuova fiducia

I risultati su KSTAR forniscono nuova fiducia nella capacità di prevedere campi 3D ottimali per ITER, il tokamak internazionale in costruzione in Francia, che prevede di utilizzare magneti speciali per produrre distorsioni 3D per controllare gli ELM. Tale controllo sarà vitale per ITER, il cui obiettivo è produrre 10 volte più energia di quella necessaria per riscaldare il plasma. Ha detto gli autori del documento, "il metodo e il principio adottati in questo studio possono migliorare sostanzialmente l'efficienza e la fedeltà del complicato processo di ottimizzazione 3D nei tokamak."