Gli scienziati che cercano di portare la fusione che alimenta il sole e le stelle sulla Terra devono affrontare instabilità a dente di sega:oscillazioni su e giù nella pressione centrale e nella temperatura del plasma che alimenta le reazioni di fusione, simile alle lame seghettate di una sega. Se queste oscillazioni sono abbastanza grandi, possono portare al collasso improvviso dell'intera scarica del plasma. Tali oscillazioni sono state osservate per la prima volta nel 1974 e finora hanno eluso una teoria ampiamente accettata che spiega le osservazioni sperimentali.

Coerente con le osservazioni

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno proposto una nuova teoria per spiegare le oscillazioni che si verificano nei tokamak a forma di ciambella, o impianti di fusione. La teoria, creato attraverso simulazioni al computer ad alta fedeltà, sembra coerente con le osservazioni fatte durante gli esperimenti tokamak, hanno detto i ricercatori. Comprendere il processo potrebbe rivelarsi vitale per gli impianti di fusione di prossima generazione come ITER, l'esperimento internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la praticità dell'energia da fusione.

Fusion combina 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 che cercano di replicare la fusione sulla Terra intendono fornire una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

I recenti risultati dimostrano che quando la pressione nel nucleo del plasma raggiunge un certo punto, altre instabilità possono essere eccitate che producono le improvvise cadute di pressione e temperatura. Queste instabilità creano campi magnetici confusi o stocastici nel nucleo del plasma che causano il collasso, disse il fisico Stephen Jardin, autore principale di un articolo che descrive il processo in Fisica dei Plasmi ed evidenziato in una pubblicazione in primo piano dell'American Institute of Physics chiamata "SciLight".

"La maggior parte degli scarichi tokamak mostra denti di sega, "Giardino ha detto, "e stiamo cercando di fornire la teoria della fisica dietro di loro".

Le nuove scoperte si discostano nettamente da una teoria di vecchia data secondo cui la causa delle oscillazioni è un'instabilità che porta alla riconnessione magnetica, la rottura e lo scatto insieme delle linee del campo magnetico nel plasma. "Questa teoria esiste da oltre 40 anni, " disse Jardin.

Motivare la nuova teoria

A motivare la nuova teoria è la precedente ricerca PPPL che dimostra come l'instabilità che si pensava portasse alla riconnessione magnetica può, infatti, autostabilizza il plasma. Lo fa producendo una tensione localizzata che impedisce alla corrente nel nucleo del plasma di raggiungere un picco sufficiente per essere soggetta a riconnessione magnetica.

La nuova spiegazione sostiene che anche se la riconnessione magnetica è soppressa, un aumento di calore nel nucleo del plasma può eccitare instabilità localizzate che agiscono insieme per appiattire la pressione e la temperatura durante il ciclo a dente di sega. Simulazioni prodotte da codici sviluppati da Jardin e dal fisico PPPL Nate Ferraro, un coautore del documento, dimostrare questo processo. Le nuove instabilità possono crescere molto velocemente, coerente con il rapido crollo del calore visto in esperimenti che la teoria tradizionale non può spiegare.

Questo modello avanzato fornisce un nuovo modo di comprendere i fenomeni a dente di sega. Guardando avanti, gli scienziati vogliono esplorare l'applicabilità del modello a compiti come la descrizione dell'evoluzione dei "mostri a denti di sega" e l'utilizzo di antenne a radiofrequenza ad alta potenza per controllare le oscillazioni dei denti di sega. "Vogliamo sviluppare un modello di simulazione di un intero plasma tokamak, "Giardino ha detto, "e questa nuova teoria dei denti di sega è una parte importante dello sforzo."