Scienziati che cercano di catturare e controllare l'energia di fusione della Terra, il processo che alimenta il sole e le stelle, affrontare il rischio di interruzioni, eventi improvvisi che possono fermare le reazioni di fusione e danneggiare le strutture chiamate tokamak che li ospitano. Ricercatori presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), e l'Università di Washington hanno sviluppato un nuovo prototipo per controllare rapidamente le interruzioni prima che possano avere pieno effetto.

Il dispositivo, chiamato "iniettore di particelle elettromagnetiche" (EPI), è un tipo di cannone a rotaia che spara un proiettile ad alta velocità da una coppia di rotaie elettrificate in un plasma sull'orlo della distruzione. Il proiettile, chiamato "sabot, " rilascia un carico utile di materiale al centro del plasma che irradia, o si diffonde, l'energia immagazzinata nel plasma, riducendo il suo impatto sull'interno del tokamak.

Payload che penetrano in profondità

Questo processo potrebbe rivelarsi più veloce e consentire ai carichi utili di penetrare più profondamente nel plasma rispetto alle tecniche più sviluppate di oggi. I sistemi attuali rilasciano gas pressurizzato o pellet frantumati con propulsione a gas utilizzando una valvola del gas nel plasma, ma con velocità limitata dalla massa delle particelle di gas. "Il vantaggio principale del concetto EPI rispetto ai sistemi a propulsione a gas è il suo potenziale per soddisfare scale temporali brevi, " ha detto Roger Raman, un fisico dell'Università di Washington su incarico a lungo termine per PPPL e autore principale di a Fusione nucleare carta che descrive il nuovo sistema.

Il rischio di interruzioni è particolarmente elevato per ITER, il grande tokamak internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione. ITER è denso, scariche di plasma ad alta potenza, lo stato della materia che alimenta le reazioni di fusione, renderà difficile per gli attuali metodi di mitigazione a propulsione a gas penetrare abbastanza profondamente nel plasma ITER altamente energetico per avere un buon effetto.

Su ITER, la mitigazione è desiderata in meno di 20 millisecondi, o migliaia di secondi, dall'avvertimento di un'interruzione, con 10 millisecondi come ideale. I test del prototipo EPI mostrano che può fornire un carico utile di particelle di dimensioni corrette in meno di 10 millisecondi, rispetto ai 30 millisecondi per i sistemi a gas.

Il prototipo, costruito presso l'Università di Washington, si rifà a un sistema di alimentazione del reattore a fusione su cui Raman ha lavorato anni fa. Quel sistema ha iniettato plasmoidi, plasmi a forma di calcio con i propri campi magnetici, che sono stati iniettati in un plasma di fusione ad alta velocità. Raman ha adattato alcune caratteristiche del sistema per consentire l'iniezione di molta più massa in una configurazione più semplice, come sarebbe richiesto per una lunga modalità di funzionamento in standby, per sviluppare l'EPI.

Rotaie elettricamente conduttrici

Il prototipo ospita il sabot tra due binari conduttori di elettricità situati a circa 2-3 centimetri di distanza e collegati a un banco di condensatori che trattiene una carica elettrica. Scaricare la banca produce forze elettromagnetiche che accelerano il sabot, consentendo il rilascio del payload in soli 2 millisecondi. Il materiale, costituito da granuli o pellet di metalli leggeri, irradierebbe l'energia di un'interruzione dal centro del plasma al bordo, diffondendo l'energia e indebolendo il suo impatto sulle pareti del tokamak.

È stato proposto di condurre un ulteriore sviluppo del sistema EPI presso il PPPL. I piani prevedono la costruzione di prototipi di seconda e terza generazione con campi magnetici sempre più forti per un periodo di tre anni, seguito dal dispiegamento su un tokamak nel quarto anno. Risultati finora, come riportato in Fusione nucleare , fornire un certo grado di confidenza che un sistema EPI efficace possa essere sviluppato per mitigare forti interruzioni su ITER.