Un ostacolo chiave al controllo sulla Terra della fusione che alimenta il sole e le stelle è la perdita di energia e particelle dal plasma, il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che alimenta le reazioni di fusione. Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i fisici si sono concentrati sulla convalida di simulazioni al computer che prevedono le perdite di energia causate dal trasporto turbolento durante gli esperimenti di fusione.

I ricercatori hanno utilizzato codici sviluppati presso la General Atomics (GA) di San Diego per confrontare le previsioni teoriche del trasporto turbolento di elettroni e ioni con i risultati della prima campagna del laboratorio compatto o "a basso rapporto d'aspetto"—National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX). -U). GA, che gestisce il DIII-D National Fusion Facility per il DOE, ha sviluppato codici adatti a questo scopo.

I tokamak con proporzioni ridotte hanno la forma di mele senza torsolo, a differenza dei tokamak convenzionali più diffusi che hanno la forma di ciambelle.

Codici all'avanguardia

"Abbiamo codici all'avanguardia basati su una teoria sofisticata per prevedere il trasporto, " disse il fisico Walter Guttenfelder, autore principale di a Fusione nucleare documento che riporta i risultati di un team di ricercatori. "Ora dobbiamo convalidare questi codici su un'ampia gamma di condizioni per essere sicuri di poter utilizzare le previsioni per ottimizzare gli esperimenti presenti e futuri".

L'analisi del trasporto osservato negli esperimenti NSTX-U ha scoperto che un fattore importante dietro le perdite era la turbolenza che rendeva il trasporto di elettroni "anomalo, " nel senso che si diffondono rapidamente, simile al modo in cui il latte si mescola al caffè quando viene mescolato con un cucchiaio. I codici GA prevedono che la causa di queste perdite sia un complesso mix di tre diversi tipi di turbolenza.

I risultati osservati hanno aperto un nuovo capitolo nello sviluppo delle previsioni di trasporto in tokamak a basso rapporto d'aspetto, un tipo di impianto di fusione che potrebbe fungere da modello per i reattori a fusione di prossima generazione che combinano elementi leggeri sotto forma di plasma per produrre energia . Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

I ricercatori del PPPL ora mirano a identificare i meccanismi alla base del trasporto anomalo di elettroni in un tokamak compatto. Le simulazioni prevedono che tale perdita di energia derivi dalla presenza di tre tipi distinti di turbolenza complessa:due tipi con lunghezze d'onda relativamente lunghe e un terzo con lunghezze d'onda una frazione della dimensione dei due più grandi.

L'impatto di uno dei due tipi di onde lunghe, che si trova tipicamente nel nucleo dei tokamak a basso rapporto d'aspetto così come nel bordo del plasma nei tokamak convenzionali, deve essere tenuto pienamente in considerazione quando si prevede il trasporto a basso rapporto d'aspetto.

Sfida da simulare

Però, l'impatto combinato di tutti e tre i tipi di turbolenza è una sfida da simulare poiché gli scienziati normalmente studiano separatamente le diverse lunghezze d'onda. I fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno recentemente eseguito simulazioni multiscala e il loro lavoro mette in evidenza il tempo significativo del supercomputer richiesto da tali simulazioni.

I ricercatori devono ora testare ulteriori simulazioni per ottenere un accordo più completo tra le previsioni di trasporto e gli esperimenti sui plasmi in tokamak a basso rapporto d'aspetto. Incluse in questi confronti saranno le misurazioni della turbolenza prese dai coautori dell'Università del Wisconsin-Madison del Fusione nucleare carta che limiterà meglio le previsioni. Un accordo migliore garantirà previsioni di perdita di energia per le strutture presenti e future.