Gli scienziati che cercano di portare sulla Terra la fusione che alimenta il sole e le stelle devono controllare il caldo, plasma carico:lo stato della materia composto da elettroni fluttuanti e nuclei atomici, o ioni, che alimentano le reazioni di fusione. Per gli scienziati che confinano il plasma in campi magnetici, un compito chiave prevede la mappatura della forma dei campi, un processo noto come misurazione dell'equilibrio, o stabilità, del plasma. Presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i ricercatori hanno proposto una nuova tecnica di misurazione per evitare i problemi previsti durante la mappatura dei campi su futuri tokamak grandi e potenti, o dispositivi di fusione magnetica, che ospitano le reazioni.

Bombardamenti di neutroni

Tali tokamak, compreso ITER, il grande esperimento internazionale in costruzione in Francia, produrrà bombardamenti di neutroni che potrebbero danneggiare la diagnostica interna ora utilizzata per mappare i campi nelle strutture attuali. PPPL propone quindi l'uso di un sistema diagnostico alternativo che potrebbe operare in ambienti ad alto neutrone.

Il sistema, un tipo di diagnostica al plasma chiamata "Emissione di ciclotrone elettronico (ECE), " misura la temperatura degli elettroni che ciclano intorno alle linee di campo. "Utilizzando un sistema ECE, possiamo conoscere la temperatura del plasma e le fluttuazioni nel plasma, " disse Andrew "Oak" Nelson, uno studente laureato in fisica del plasma presso PPPL e primo autore di un documento di fisica del plasma e fusione controllata che riporta la ricerca. "Questo metodo proposto potrebbe essere sviluppato in uno strumento di mappatura autonomo o utilizzato con strumenti esistenti".

Il metodo combina i dati ECE con un'immagine della telecamera veloce utilizzata per misurare il confine del plasma. La combinazione fornisce "diagnostica che può essere progettata in modo robusto in ambienti ad alto neutrone, " secondo il documento. Il processo funziona come segue:

• I ricercatori osservano la radiazione emessa dagli elettroni in bicicletta;
• La radiazione fornisce dati sulla temperatura e le modalità, o instabilità, che crescono nel plasma;
• I dati consentono la misurazione del "q-profile":l'elicità, o a spirale, del campo magnetico;
• La misurazione dell'elicità consente agli operatori tokamak di mappare e controllare l'equilibrio del plasma.

Invertire un processo

Questa tecnica, che i ricercatori hanno testato su una scarica simulata del National Spherical Torus Experiment (NSTX) al PPPL prima del suo aggiornamento, inverte un processo normalmente utilizzato nella ricerca sulla fusione. "Le persone di solito ottengono il profilo q dall'equilibrio, " ha detto Nelson, "ma il nostro articolo mostra che è possibile ottenere l'equilibrio anche conoscendo il profilo q".

Lavorando a stretto contatto con Nelson era il suo consigliere, fisico del PPPL Egemen Kolemen, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'Università di Princeton. "Oak è uno studente estremamente talentuoso, " ha detto Kolemen. "Il metodo da lui sviluppato consente la costruzione dello stato del plasma di fusione utilizzando un solo diagnostico, ECE. Questo sarà utile per molti tokamak tra cui ITER, perché combinare molte diverse diagnostiche è problematico e soggetto a errori."

I ricercatori ora intendono testare la tecnica ECE su un'ampia varietà di scariche di plasma. Una tecnica collaudata e completamente sviluppata potrebbe fornire un prezioso sistema per mappare i campi magnetici cruciali in ITER e nei tokamak di prossima generazione.