Proprio come il fuoco produce cenere, la combinazione di elementi leggeri nelle reazioni di fusione può produrre materiale che alla fine interferisce con quelle stesse reazioni. Ora, gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno trovato prove che suggeriscono che un processo potrebbe rimuovere il materiale indesiderato e rendere i processi di fusione più efficienti all'interno di un tipo di impianto di fusione noto come configurazione inversa sul campo ( FRC) dispositivo.

All'interno di tutte le macchine per la fusione, elettroni e nuclei atomici, o ioni, vortice in una specie di zuppa nota come plasma. Durante il processo di fusione proposto per un FRC, i nuclei di deuterio ed elio-3, atomi di idrogeno ed elio con un neutrone ciascuno, combinano e nel processo rilasciano grandi quantità di energia. I fisici stanno attualmente studiando il modo migliore per intrappolare le particelle di carburante all'interno dei campi magnetici per massimizzare il numero di reazioni di fusione e allo stesso tempo prevenire danni alle pareti della macchina da particelle energetiche che sfuggono alla bottiglia magnetica. L'obiettivo di qualsiasi esperimento sull'energia da fusione è imitare sulla Terra il processo di fusione all'interno del sole e delle stelle per produrre energia virtualmente illimitata.

Le macchine FRC differiscono dai tokamak a forma di ciambella e dai twisty, stellarator simili a cruller che sono attualmente i progetti di riferimento per gli impianti di fusione in tutto il mondo. Gli FRC confinano il plasma a temperature più elevate rispetto ai tokamak, ma richiedono solo un set di bobine elettromagnetiche a forma di cerchi semplici. Inoltre, invece dei contenitori circolari nei tokamak e negli stellarator, Gli FRC creano campi che si estendono tra due punti finali che sono quasi lineari, realizzare un dispositivo FRC a bassa potenza potenzialmente adatto come motore a razzo a fusione per la propulsione di veicoli spaziali.

Recentemente, però, una nuova ricerca al PPPL ha suggerito che, con il design giusto, Gli FRC potrebbero produrre plasmi stabili. E poiché si prevede che la variante PPPL dell'FRC produrrà molti meno neutroni ad alta energia rispetto ai tokamak, quel tipo di reattore FRC richiederebbe meno schermatura per proteggere le apparecchiature interne e circostanti.

La ricerca è iniziata cinque anni fa quando gli studenti universitari Matt Chu-Cheong e Samuel Cohen, ricercatore principale degli esperimenti FRC del Laboratorio, ha iniziato a pensare a come rimuovere le particelle di cenere create in ipotetici futuri reattori FRC. I loro calcoli hanno suggerito che le particelle indesiderate migrerebbero lentamente verso lo "strato raschiante" che collega il plasma alle superfici materiali della nave. Passando dentro e fuori da questa regione relativamente fresca, le particelle perderebbero energia e rallenteranno, proprio come i veicoli spaziali possono ridurre la velocità immergendosi nell'atmosfera di un pianeta. Infine, le particelle perderebbero velocità sufficiente per rimanere nello strato di raschiatura ed essere incanalate in un sistema di scarico che le rimuove dal plasma.

Le particelle entrerebbero automaticamente nello strato raschiante a causa della loro elevata energia. "Questo è un modo accurato per rimuovere i prodotti di fusione dal nucleo e impedire loro di accumularsi, " ha detto Evans, un autore principale di un articolo in Physics of Plasmas che ha esaminato rigorosamente i processi.

Evans e Cohen temevano, però, che se gli elettroni nello strato da raschiare fossero troppo freddi, potrebbero non muoversi abbastanza velocemente da intrappolare gli ioni e causare la loro rimozione. "Se gli elettroni si muovono troppo lentamente, "Cohen ha detto, "non sono in grado di tenere il passo con gli ioni veloci e gli ioni non sentono molta forza di trascinamento".

Evans ha formulato un'ipotesi e poi ha eseguito simulazioni dettagliate su computer ad alte prestazioni presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), un DOE Office of Science User Facility presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Le simulazioni, che tiene conto dei campi magnetici dell'ipotetica macchina FRC e degli effetti degli elettroni freddi, ha prodotto dati che suggeriscono che le particelle di cenere in un reattore FRC sarebbero state rimosse dal plasma, sebbene più lento di quanto previsto dalle teorie create nel 1960. Tuttavia, la velocità di rimozione prevista era sufficiente per esaurire gli ioni cenere e impedire loro di interferire con le reazioni di fusione nei futuri plasmi FRC.

I risultati sono stati estremamente incoraggianti. "La mia reazione principale è stata il sollievo che le simulazioni avessero funzionato, che le nostre stime precedenti andavano bene, e che almeno in queste simulazioni non abbiamo visto alcun motivo per cui questo processo non avrebbe funzionato, "Evans ha detto. "In altre parole, finora, così buono."