Un requisito chiave per le strutture future che mirano a catturare e controllare sulla Terra l'energia di fusione che guida il sole e le stelle sono previsioni accurate della pressione del plasma:il caldo, gas carico che alimenta le reazioni di fusione all'interno di tokamak a forma di ciambella che ospitano le reazioni. Al centro di queste previsioni è la previsione della pressione che lo strato di raschiatura, la sottile striscia di gas ai margini del plasma, esercita sul divertore, il dispositivo che esaurisce il calore disperso dalle reazioni di fusione.

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato nuove conoscenze sulla fisica che regola l'equilibrio della pressione nello strato di raschiamento. Questo equilibrio deve garantire che la pressione del plasma in tutto il tokamak sia sufficientemente alta da produrre una reazione di fusione ampiamente autoriscaldante. La bilancia deve anche limitare l'impatto potenzialmente dannoso del calore e delle particelle di plasma che colpiscono il deviatore e altri componenti del tokamak rivolti verso il plasma.

"Le semplici ipotesi precedenti sull'equilibrio della pressione nello strato raschiante sono incomplete, " ha detto il fisico PPPL Michael Churchill, autore principale di a Fusione nucleare documento che descrive le nuove scoperte. "I codici che simulano lo strato da raschiare hanno spesso buttato via importanti aspetti della fisica, e il campo sta iniziando a riconoscerlo".

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. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Fattori chiave

I colleghi di Churchill e PPPL hanno determinato i fattori chiave alla base del bilanciamento della pressione eseguendo il codice del computer XGCa all'avanguardia sui supercomputer Cori ed Edison presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Il codice tratta il plasma a un livello cinetico dettagliato, o movimento delle particelle, piuttosto che come un fluido.

Tra le caratteristiche chiave riscontrate c'era l'impatto della deriva di massa degli ioni, un impatto che i codici precedenti hanno ampiamente ignorato. Tali derive "possono svolgere un ruolo fondamentale" hanno scritto gli autori, e "sono molto importanti da tenere in considerazione".

Anche considerati importanti nell'equilibrio della quantità di moto o della pressione sono stati gli effetti cinetici delle particelle dovuti agli ioni che hanno temperature diverse a seconda della loro direzione. Poiché la temperatura degli ioni è difficile da misurare nello strato di raschiatura, il giornale dice, "dovrebbero essere compiuti maggiori sforzi diagnostici per misurare con precisione la temperatura e i flussi di ioni e quindi consentire una migliore comprensione del ruolo degli ioni nel SOL".

Le nuove scoperte potrebbero migliorare la comprensione della pressione dello strato di raschiamento al divertore, Churchill ha detto, e potrebbe portare a previsioni accurate per l'esperimento internazionale ITER in costruzione in Francia e altri tokamak di prossima generazione.