Come si avvia una reazione di fusione, il processo che illumina il sole e le stelle, sulla terra? Come accendere un fiammifero per accendere un fuoco, prima produci plasma, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che alimenta le reazioni di fusione, e portarlo a temperature che rivaleggiano con il sole in centinaia di millisecondi.

Fisici presso il Dipartimento di Fisica del Plasma (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), lavorando con i ricercatori del Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) nel Regno Unito, hanno costruito un framework di simulazione per sviluppare e testare le ricette di avvio del plasma per il National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) al PPPL e il Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U) al CCFE. "Questo è uno strumento per aiutare un operatore a progettare una ricetta di avvio di successo prima di sedersi al posto di guida su NSTX-U o MAST-U, " ha detto il fisico Devon Battaglia, che guida il team di operatori nell'esperimento NSTX-U ed è l'autore principale di un articolo che descrive il modello nella rivista Fusione nucleare .

Fusione di particelle di plasma

La fusione fonde le particelle di plasma per rilasciare enormi quantità di energia. Gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di replicare il processo celeste per produrre una cassaforte, pulire, e praticamente inesauribile fornitura di energia per la generazione di elettricità.

La ricetta tipica per formare un plasma in dispositivi a fusione magnetica chiamati tokamak inizia applicando tensione attraverso un gas iniettato in un forte campo magnetico. Il gas diventa plasma in pochi millisecondi e si riscalda rapidamente fino a milioni di gradi. Creare la migliore ricetta per una startup di successo richiede una regolazione fine della pressione del gas con un'evoluzione coerente dei campi elettrico e magnetico, un compito delicato che spetta all'operatore.

La nuova capacità di simulazione consente agli operatori di raggiungere rapidamente tale equilibrio, riducendo significativamente la quantità di tempo impiegato per eseguire esperimenti per trovare una ricetta che funzioni.

I ricercatori hanno derivato e convalidato i modelli nel quadro di simulazione rispetto ai dati raccolti da esperimenti passati sull'NSTX-U e sul suo predecessore, e il predecessore di MAST-U. Battaglia ha lavorato a stretto contatto con i fisici del CCFE per sviluppare il nuovo modello, facendo della carta uno sforzo congiunto, e vi viaggerà di nuovo per l'avvio programmato di MAST-U.

"La rottura del plasma è una pietra miliare chiave per MAST-U e il lavoro di Devon fornisce preziose informazioni sul percorso migliore per raggiungere l'avvio, " ha detto il fisico Andrew Thornton, operatore principale presso MAST-U e coautore dell'articolo. "Avere l'esperienza di Devon sul posto al riavvio sarà immensamente prezioso poiché ha eseguito esperimenti simili su NSTX-U che possono guidare gli sforzi su MAST-U".

Fornire nuove intuizioni

Lo sviluppo del modello fornisce nuove informazioni sull'avvio di tokamak sferici come NSTX-U e MAST-U, che hanno la forma di mele senza torsolo piuttosto che la forma a ciambella dei tokamak convenzionali più ampiamente utilizzati. Il processo di creazione del quadro di simulazione ha anche contribuito agli sforzi per sviluppare strumenti computazionali per la prima operazione di ITER, il tokamak internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la praticità dell'energia da fusione.