I ricercatori hanno scoperto che l'iniezione di pellet di ghiaccio di idrogeno anziché sbuffare gas di idrogeno migliora le prestazioni di fusione presso il DIII-D National Fusion Facility, che General Atomics opera per il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Gli studi dei fisici con sede presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del DOE e l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno confrontato i due metodi, guardando avanti al carburante che sarà utilizzato in ITER, l'esperimento internazionale di fusione in costruzione in Francia.

Migliora la temperatura

I ricercatori hanno dimostrato che i pellet ghiacciati di idrogeno migliorano la temperatura del plasma di fusione rispetto al metodo di alimentazione del gas ora tipicamente utilizzato negli impianti di fusione a forma di ciambella chiamati tokamak. Temperature più elevate sono vantaggiose per le reazioni di fusione. I risultati su DIII-D sono incoraggianti per ITER, che prevede di utilizzare l'iniezione di pellet per alimentare il suo nucleo interno caldo.

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, combina elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato della materia che consiste di nuclei atomici caricati positivamente ed elettroni caricati negativamente, per creare enormi quantità di energia. Gli scienziati cercano di replicare la fusione sulla Terra per un sicuro, fornitura pulita e praticamente inesauribile di energia per generare elettricità.

Una sfida per la produzione di energia da fusione è come ottenere combustibile a idrogeno freddo nel nucleo caldo del plasma. Il sole ha tutto l'idrogeno di cui ha bisogno per miliardi di anni, ma i reattori a fusione sulla Terra devono costantemente alimentare idrogeno nel plasma per sostenere le reazioni di fusione. Soffiare gas a temperatura ambiente è il modo più comune per iniettare idrogeno negli esperimenti attuali.

Più grande e più caldo

Però, man mano che i reattori a fusione diventano più grandi e più caldi, diventerà più difficile per il gas penetrare nel nocciolo del reattore dove avvengono le reazioni di fusione. È quindi necessario sviluppare nuovi metodi per alimentare il nucleo di fusione senza degradare le prestazioni del plasma.

Lo sforzo di ricerca congiunto su DIII-D ha confrontato i due metodi di alimentazione nei plasmi ad alte prestazioni previsti per ITER. Gli esperimenti hanno rivelato una pressione del plasma significativamente più alta, una chiave per le reazioni di fusione, utilizzando ghiaccio di idrogeno rispetto all'iniezione di gas quando la velocità di rifornimento è approssimativamente equamente abbinata tra i due metodi.

"Il rifornimento gioca un ruolo importante nelle prestazioni del plasma edge, " disse Andrew "Oak" Nelson, uno studente laureato nel Programma in Fisica del Plasma presso la Princeton University e primo autore dell'articolo sulla fusione nucleare che descrive questi risultati. Nelson fa parte di un team multi-istituzionale che ha accuratamente progettato ed eseguito gli esperimenti.

Scienziati dell'ORNL

La tecnologia per iniettare i granuli di ghiaccio è stata sviluppata dagli scienziati dell'ORNL. L'interpretazione dei risultati sperimentali richiede sofisticati strumenti scientifici sviluppati da più istituzioni che collaborano su DIII-D. "È fantastico vedere come il nostro sforzo multi-istituzionale si sia unito per affrontare questa importante questione di alimentazione per ITER e i futuri reattori, " ha detto Morgan Shafer, un ricercatore capo presso l'ORNL e coautore del documento.

La ricerca dimostra anche come gli studenti laureati possano dare importanti contributi all'energia da fusione lavorando su queste grandi strutture di ricerca nazionali. "Per uno studente laureato svolgere un ruolo importante in questo studio sperimentale su DIII-D è impressionante, " disse Egemen Kolemen, un fisico della PPPL e della Princeton University che è stato consulente per il progetto. "Il successo di Oak mostra come i grandi esperimenti di fusione forniscano significative opportunità di leadership per studenti e scienziati all'inizio della carriera".