Gli scienziati che usano i campi magnetici per imbottigliare e controllare sulla Terra le reazioni di fusione che alimentano il sole e le stelle devono correggere eventuali errori nella forma dei campi che contengono le reazioni. Tali errori producono deviazioni dalla forma simmetrica dei campi negli impianti di fusione tokamak simili a ciambelle che possono avere un impatto dannoso sulla stabilità e sul confinamento del caldo, gas plasma carico che alimenta le reazioni.

I ricercatori guidati da scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno trovato prove evidenti della presenza di campi di errore nelle prime 10 settimane di esecuzione del National Spherical Torus Experiment—Upgrade (NSTX-U) , l'impianto di fusione di punta presso il laboratorio. Il metodo di rilevamento esaustivo utilizzato potrebbe fornire lezioni per la correzione degli errori nei futuri dispositivi di fusione come ITER, il grande impianto internazionale di fusione in costruzione in Francia per dimostrare la praticità dell'energia da fusione controllata.

La fusione alimenta il sole e le stelle

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.

A PPPL, i ricercatori hanno messo insieme una combinazione di dati sperimentali, misurazione dettagliata della posizione dei magneti, e modellazione al computer della risposta del plasma per localizzare la sorgente dei campi di errore NSTX-U. L'analisi ha scoperto uno spettro di piccoli campi di errore, un risultato inevitabile del fatto che un tokamak non può essere perfettamente simmetrico, ma la maggior parte ha avuto un impatto facilmente correggibile sul plasma. Però, una scoperta importante si è distinta:un leggero disallineamento delle bobine magnetiche che corrono lungo il centro del tokamak e producono i campi che si avvolgono orizzontalmente - o "toroidalmente" - attorno all'interno della nave.

L'indizio che gli scienziati hanno cercato

Questo disallineamento era l'indizio che gli scienziati avevano cercato. "Abbiamo cercato la fonte dell'errore con il maggiore impatto sul plasma, " ha detto il fisico Nate Ferraro, primo autore della ricerca che ha riportato la ricerca e la scoperta in Fusione nucleare . "Quello che abbiamo trovato è stato un piccolo disallineamento delle bobine dello stack centrale con l'involucro che le racchiude".

Il leggero disallineamento generava errori che risuonavano nel comportamento del plasma. Tra i problemi c'era un effetto frenante e bloccante che impediva al bordo del plasma di ruotare, e un aumento del riscaldamento localizzato sui componenti rivolti verso il plasma all'interno del tokamak.

La scoperta del disallineamento ha seguito lo spegnimento del tokamak per le riparazioni in corso a seguito di un guasto della bobina. I risultati del disallineamento vengono ora utilizzati "per guidare nuovi requisiti di tolleranza ingegneristica per NSTX-U mentre viene ricostruito, " hanno detto i ricercatori. Tali requisiti richiedono una tolleranza più stretta tra la pila centrale e l'involucro che la racchiude. La tolleranza più stretta ridurrebbe la deviazione dall'allineamento ottimale dei due componenti a meno di due centesimi di pollice lungo l'asse verticale della pila centrale.

La regolazione allevierebbe le preoccupazioni per un aumento del riscaldamento localizzato e ridurrebbe la frenatura e il bloccaggio magnetici, secondo gli autori. Tali sviluppi migliorerebbero quindi la stabilità del plasma. "Ogni tokamak si preoccupa dei campi di errore, " ha detto Ferraro. "Quello che stiamo cercando di fare è ottimizzare l'NSTX-U."

Partnership con esperimenti

I risultati dimostrano la relazione tra il dipartimento di teoria PPPL e l'esperimento NSTX-U, disse Amitava Bhattacharjee, chi dirige la Teoria. "Questo è un eccellente esempio del programma NSTX-U-Theory Partnership che è stato vantaggioso sia per l'NSTX-U che per i dipartimenti di teoria di PPPL, e che continua anche quando NSTX-U è in recovery, " ha detto Bhattacharjee.

I membri del team di ricerca includevano scienziati del PPPL, Laboratorio Nazionale Sandia, General Atomics e Oak Ridge National Laboratory. Il DOE Office of Science ha finanziato il lavoro.