Stellaratori, macchine tortuose che ospitano reazioni di fusione, fare affidamento su bobine magnetiche complesse che sono difficili da progettare e costruire. Ora, un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha sviluppato una tecnica matematica per semplificare la progettazione delle bobine, rendendo gli stellarator un impianto potenzialmente più conveniente per la produzione di energia da fusione.

"Il nostro risultato principale è che abbiamo trovato un nuovo metodo per identificare i campi magnetici irregolari prodotti dalle bobine degli stellarator, " disse il fisico Caoxiang Zhu, autore principale di un articolo che riporta i risultati in Fusione nucleare . "Questa tecnica può farti sapere in anticipo quali forme e posizioni della bobina potrebbero danneggiare il confinamento magnetico del plasma, promettendo tempi di costruzione più brevi e costi ridotti."

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. tortuoso, Gli stellarator a forma di cruller sono un'alternativa ai tokamak a forma di ciambella che sono più comunemente usati dagli scienziati che cercano di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Un vantaggio chiave degli stellarator è la loro produzione di plasmi altamente stabili che sono meno soggetti alle interruzioni dannose che possono subire i tokamak. Ma la complessità delle bobine di Stellarator è stata un fattore che ha frenato lo sviluppo di tali strutture.

Le bobine di uno stellarator devono essere costruite e disposte intorno alla camera del vuoto in modo molto preciso, poiché le deviazioni dalla migliore disposizione della bobina creano urti e oscillazioni nel campo magnetico che degradano il confinamento magnetico e consentono al plasma di fuoriuscire. Questi campi magnetici problematici possono essere facilmente causati dall'errato posizionamento delle bobine magnetiche, quindi gli ingegneri stabiliscono tolleranze rigorose per questi componenti.

"La grande sfida nel costruire stellarator è capire come realizzarli in modo semplice ed economico, " ha detto il capo scienziato della PPPL Michael Zarnstorff. "La ricerca di Zhu è importante perché sta cercando di esaminare più attentamente e quantitativamente alcuni dei fattori che determinano i costi. I suoi risultati suggeriscono che possiamo semplificare la costruzione di stellarator e quindi renderli più facili e meno costosi da costruire, non insistendo su tolleranze strette per cose che non contano."

Nel passato, gli scienziati hanno utilizzato simulazioni al computer per determinare quale posizione delle bobine sarebbe stata migliore, controllando le reazioni del plasma a tutte le possibili configurazioni magnetiche prima della costruzione dello stellarator. Ma poiché ci sono molti modi per variare le bobine, "questo approccio richiede enormi risorse di calcolo e ore di lavoro, " ha detto Zhu. "In questo documento, proponiamo un nuovo metodo matematico per identificare rapidamente deviazioni pericolose della bobina che potrebbero apparire durante la fabbricazione e l'assemblaggio."

Il metodo si basa su una matrice hessiana, uno strumento matematico che consente ai ricercatori di determinare quali variazioni delle bobine magnetiche possono far cambiare le proprietà al plasma. "L'idea è capire quali perturbazioni devi davvero controllare o evitare, e che puoi ignorare, " Disse Zhu.

Il team ha recentemente confermato l'accuratezza del nuovo metodo utilizzandolo per analizzare i posizionamenti delle bobine per una configurazione simile al Columbia Non-Neutral Torus, un piccolo impianto di fusione gestito dalla Columbia University. Hanno confrontato i risultati con quelli prodotti da studi precedenti basati su metodi convenzionali e hanno scoperto che erano d'accordo. Il team sta ora collaborando con ricercatori in Cina per utilizzare il metodo per ottimizzare il posizionamento della bobina sul primo stellaratore quasi assialsimmetrico cinese (CFQS), attualmente in costruzione.

La nuova tecnica potrebbe aiutare gli scienziati a progettare stellarator migliori, ha detto Zhu. Potrebbe rendere possibili modi per identificare una disposizione ottimale della bobina che nessuno aveva considerato prima.