Come i surfisti che catturano le onde dell'oceano, particelle all'interno del caldo, Lo stato della materia con carica elettrica noto come plasma può cavalcare onde che oscillano attraverso il plasma durante gli esperimenti per studiare la produzione di energia di fusione. Le oscillazioni possono spostare le particelle così lontano che fuoriescono dal tokamak a forma di ciambella che ospita gli esperimenti, raffreddando il plasma e rendendo meno efficienti le reazioni di fusione. Ora un team di fisici guidato dal Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha ideato un metodo più rapido per determinare quanto questa interazione tra particelle e onde contribuisce alla perdita di efficienza nei tokamak.

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, è la fusione di elementi leggeri sotto forma di plasma, il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Il metodo per aiutare a determinare l'impatto sulla fusione, pubblicato in Fisica dei Plasmi , dipende da come le particelle nel plasma vengono catturate nelle oscillazioni. Le particelle intrappolate in un'oscillazione possono tracciare un percorso ovale noto come struttura risonante, la cui larghezza è un fattore chiave. Determinare la larghezza di tale struttura è fondamentale. "Se vuoi sapere quanto è grande l'effetto della risonanza sulle particelle di plasma, devi conoscere l'ampiezza della risonanza, " disse Roscoe White, un fisico teorico al PPPL e autore principale dell'articolo.

Eseguendo simulazioni su potenti computer PPPL, i ricercatori hanno appreso come un tipo di vibrazione del plasma noto come automodalità può deformare la risonanza e modificare il modo in cui influisce sulle particelle di plasma. "La nostra ricerca si distingue perché abbiamo tenuto conto della forma automodale, che non era stato fatto prima, " ha detto il Bianco.

Il modo in cui gli automodi cambiano le strutture di risonanza e quindi il comportamento delle particelle di plasma è importante per gli scienziati perché l'effetto potrebbe diminuire l'efficienza di ITER, l'impianto multinazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione. "Le modifiche della distribuzione delle particelle da parte delle oscillazioni elettromagnetiche sono un problema importante per ITER, " White ha detto. "Lo studio di questi fenomeni consente agli scienziati di prevedere quanto saranno forti gli effetti delle oscillazioni, e poi progettare modi per eliminare le onde, prevenire la perdita di particelle, e mantenere l'efficienza della fusione."

I risultati potrebbero essere utilizzati per creare un modello di computer ridotto con semplificato, eppure preciso, codice che potrebbe simulare il comportamento del plasma con meno calcoli e quindi in molto meno tempo rispetto ai modelli attuali. "La migliore simulazione disponibile di una scarica in DIII-D, il tokamak operato a San Diego dalla General Atomics, può richiedere diversi mesi per completare un supercomputer, " ha detto Nikolai Gorelenkov, fisico ricercatore principale presso PPPL e coautore dell'articolo. "È troppo lungo. L'obiettivo finale è utilizzare simulazioni di interazioni particelle-onda nel plasma abbastanza rapidamente da prevedere dove e quando potrebbero verificarsi perdite, e poi agire per evitare tali perdite".

Il compito diventa molto più difficile per quanto riguarda ITER. "Una proiezione prudente per ITER è che le simulazioni richiederanno circa 1 milione di volte più calcoli di quelli necessari per gli attuali tokamak, " ha detto Gorelenkov. "Si tratta di una quantità di calcolo senza precedenti, quindi dobbiamo trovare il modo di rendere la simulazione più facile da completare."