Gli scienziati che cercano di portare la reazione di fusione che alimenta il sole e le stelle sulla Terra devono mantenere il plasma incandescente libero da interruzioni. Ora i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto un processo che può aiutare a controllare le interruzioni ritenute più pericolose.

Replicando la fusione, che rilascia energia illimitata fondendo nuclei atomici nello stato della materia noto come plasma, potrebbe produrre energia pulita e virtualmente illimitata per generare elettricità per le città e le industrie di tutto il mondo. Catturare e controllare l'energia di fusione è quindi una sfida scientifica e ingegneristica fondamentale per i ricercatori di tutto il mondo.

Creare isole magnetiche

La scoperta del PPPL, segnalato in Lettere di revisione fisica , si concentra sulle cosiddette modalità di lacerazione:instabilità nel plasma che creano isole magnetiche, una fonte chiave di interruzioni del plasma. Queste isole, strutture simili a bolle che si formano nel plasma, possono crescere e innescare eventi dirompenti che bloccano le reazioni di fusione e danneggiano le strutture a forma di ciambella chiamate "tokamak" che ospitano le reazioni.

I ricercatori hanno scoperto negli anni '80 che l'uso di onde a radiofrequenza (RF) per guidare la corrente nel plasma potrebbe stabilizzare le modalità di lacerazione e ridurre il rischio di interruzioni. Però, i ricercatori non hanno notato che piccoli cambiamenti, o perturbazioni, nella temperatura del plasma potrebbero migliorare il processo di stabilizzazione, una volta superata una soglia chiave di potenza. Il meccanismo fisico che PPPL ha identificato funziona così:

• Le perturbazioni della temperatura influiscono sulla forza dell'unità di corrente e sulla quantità di potenza RF depositata nelle isole.
• Le perturbazioni e il loro impatto sulla deposizione di feedback di potenza l'una contro l'altra in modo complesso o non lineare.
• Quando il feedback si combina con la sensibilità dell'azionamento di corrente alle perturbazioni di temperatura, l'efficienza del processo di stabilizzazione aumenta.
• Per di più, la stabilizzazione migliorata ha meno probabilità di essere influenzata da azionamenti di corrente disallineati che non riescono a raggiungere il centro dell'isola.

L'impatto complessivo di questo processo crea ciò che viene tecnicamente chiamato "condensazione di corrente RF, " o concentrazione di potenza RF all'interno dell'isola che ne impedisce la crescita. "La deposizione di potenza è notevolmente aumentata, " ha detto Allan Reiman, un fisico teorico al PPPL e autore principale dell'articolo. "Quando la deposizione di potere nell'isola supera un livello di soglia, c'è un salto di temperatura che rafforza notevolmente l'effetto stabilizzante. Ciò consente la stabilizzazione di isole più grandi di quanto si pensasse in precedenza possibile".

Vantaggioso per ITER

Questo processo può essere particolarmente vantaggioso per ITER, il tokamak internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione. "C'è preoccupazione per le isole che diventano grandi e causano interruzioni in ITER, "Reiman ha detto. "Presi insieme, questi nuovi effetti dovrebbero facilitare la stabilizzazione dei plasmi ITER".

Reiman ha lavorato con il professor Nat Fisch, direttore associato per gli affari accademici presso PPPL e coautore del rapporto. Fisch aveva dimostrato in un documento fondamentale degli anni '70 che le onde RF potevano essere utilizzate per guidare le correnti per confinare i plasmi tokamak attraverso un processo ora chiamato "azionamento della corrente RF".

Fisch sottolinea come "fu l'innovativo documento di Reiman nel 1983 a prevedere che queste correnti RF potevano anche stabilizzare le modalità di lacerazione. L'uso dell'azionamento della corrente RF per la stabilizzazione delle modalità di lacerazione era forse ancora più cruciale per il programma tokamak rispetto all'utilizzo di queste correnti per confinare il plasma, " ha detto Fischi.

"Quindi, " Egli ha detto, "L'articolo di Reiman del 1983 ha essenzialmente lanciato campagne sperimentali sui tokamak in tutto il mondo per stabilizzare le modalità di strappo". Inoltre, Ha aggiunto, "In modo significativo, oltre a prevedere la stabilizzazione delle modalità di lacerazione mediante RF, il documento del 1983 ha anche sottolineato l'importanza della perturbazione della temperatura nelle isole magnetiche."

Caratteristica sottovalutata

Il nuovo articolo dà uno sguardo nuovo all'impatto di queste perturbazioni di temperatura sulle isole, una caratteristica che è stata sottovalutata dal momento che il documento del 1983 lo indicava. "Fondamentalmente siamo tornati indietro di 35 anni per portare quel pensiero un po' più lontano, esplorando l'affascinante fisica e le più grandi implicazioni del feedback positivo, " ha detto Fisch. "Si è scoperto che queste implicazioni potrebbero ora essere molto importanti per il programma tokamak di oggi".

I teorici hanno iniziato il loro lavoro recente con un modello semplice e sono passati a modelli più complessi per affrontare le questioni chiave. Ora hanno in programma di produrre un quadro più dettagliato con modelli ancora più sofisticati. Stanno anche lavorando per suggerire campagne sperimentali che esporranno questi nuovi effetti. Il supporto per questa ricerca viene dal DOE Office of Science.