Un team di ricerca di scienziati della fusione è riuscito a dimostrare che gli ioni possono essere riscaldati dalle oscillazioni del plasma guidate da particelle ad alta energia. Ciò è stato confermato eseguendo una simulazione su larga scala con un programma di simulazione ibrida di nuova concezione che collega i calcoli per le oscillazioni del plasma, particelle e ioni ad alta energia. Questa ricerca accelererà gli studi sull'autoriscaldamento del plasma per realizzare l'energia di fusione.

La reazione di fusione tra lo ione deuterio e lo ione trizio in un plasma ad alta temperatura sarà utilizzata in futuro nei reattori a fusione. Le particelle alfa ad alta energia generate dalla reazione di fusione cedono la loro energia al plasma, e questo autoriscaldamento del plasma mantiene la condizione di alta temperatura richiesta per la reazione di fusione. Però, abbiamo il problema che il riscaldamento degli ioni del carburante è debole perché le particelle ad alta energia cedono la maggior parte della loro energia agli elettroni attraverso le collisioni con gli elettroni. Per aumentare la velocità di riscaldamento ionico, si propone che gli ioni possano essere riscaldati dalle oscillazioni del plasma guidate dalle particelle ad alta energia. Però, questo meccanismo di riscaldamento ionico non è stato ancora confermato.

Il team di ricerca dell'assistente professore Hao Wang e del professor Yasushi Todo del National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) ha condotto una ricerca sul riscaldamento ionico mediante oscillazioni del plasma utilizzando simulazioni al computer.

Il professor Todo ha precedentemente sviluppato un programma per computer in grado di simulare contemporaneamente lo stato del plasma nel suo insieme, che viene trattato come fluido, e il movimento di particelle ad alta energia in un plasma. Questo programma, perché collega e calcola il fluido e le particelle, è chiamato programma di simulazione ibrida. Ci permette di studiare l'interazione tra le oscillazioni del plasma e le particelle ad alta energia. Il programma è altamente valutato tra gli scienziati della fusione, e sono in corso diversi studi di simulazione che utilizzano il programma.

Però, per studiare il riscaldamento ionico da oscillazioni di plasma guidate da particelle ad alta energia, è necessario espandere il programma di simulazione ibrida per simulare i moti degli ioni influenzati dalle oscillazioni del plasma. Il team di ricerca è riuscito a sviluppare un nuovo programma di simulazione ibrida calcolando gli ioni in un plasma come particelle e collegando i tre tipi di calcoli per le oscillazioni del plasma, le particelle ad alta energia, e gli ioni. Utilizzando il nuovo programma di simulazione ibrida, hanno eseguito una simulazione su larga scala sul super computer per quanto riguarda il plasma generato nel Large Helical Device (LHD). (Sulla guida a sinistra, utilizziamo le particelle di idrogeno ad alta energia che si trovano all'interno del plasma per studiare le oscillazioni del plasma guidate da particelle ad alta energia.) La nuova simulazione ibrida mostra chiaramente che gli ioni ottengono energia dalle oscillazioni del plasma eccitate dalle particelle ad alta energia. Ciò indica che la velocità di riscaldamento degli ioni in un plasma autoriscaldante può essere aumentata utilizzando le oscillazioni del plasma.

Così, il team di ricerca ha dimostrato per la prima volta al mondo il riscaldamento degli ioni mediante oscillazioni del plasma. Sulla base dei risultati di questo studio, sarà accelerata la ricerca sul plasma autoriscaldante per la realizzazione di energia da fusione.

Questo risultato della ricerca è stato pubblicato come Wang, et al. "Simulazione di modalità acustiche geodetiche guidate da particelle energetiche e canalizzazione dell'energia nei plasmi del grande dispositivo elicoidale" in Fusione nucleare nell'agosto 2019.