Un team del DIII-D National Fusion Facility, guidato da un fisico William &Mary, ha compiuto un progresso significativo nella comprensione della fisica che rappresenta un passo fondamentale verso l'energia di fusione pratica.

Il lavoro, pubblicato in un articolo sulla rivista Fusione nucleare , aiuta a spiegare meglio la relazione tra tre variabili:turbolenza plasmatica, il trasporto di elettroni attraverso il plasma e la densità elettronica nel nucleo. Poiché questi fattori sono elementi chiave della reazione di fusione, questa comprensione potrebbe migliorare significativamente la capacità di prevedere le prestazioni e l'efficienza dei plasmi di fusione, un passo necessario verso la realizzazione di centrali elettriche a fusione commerciali.

"Sappiamo da tempo che esiste una relazione tra la densità elettronica del nucleo, collisioni elettrone-ione e movimento delle particelle nel plasma, " ha detto Saskia Mordijck di William &Mary, che ha guidato il team di ricerca multi-istituzionale presso DIII-D. "Sfortunatamente, fino ad ora la ricerca non è stata in grado di districare quella relazione dagli altri componenti che influenzano i modelli di densità elettronica".

Mordijck, un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica di William &Mary, osserva che, oltre allo sforzo internazionale per DIII-D, W&M ha contribuito a esperimenti simili nell'Unione Europea.

DIII-D, che la General Atomics gestisce come struttura nazionale di utenza per l'Ufficio di Scienze del Dipartimento di Energia, è la più grande struttura di ricerca sulla fusione magnetica del paese. Ospita ricercatori di oltre 100 istituzioni in tutto il mondo, di cui 40 università. Il cuore della struttura è un tokamak che utilizza potenti elettromagneti per produrre un contenitore magnetico a forma di ciambella per confinare un plasma a fusione. In DIII-D, temperature del plasma più di 10 volte più calde del Sole vengono raggiunte di routine. A temperature così elevate, Gli isotopi di idrogeno possono fondersi insieme e rilasciare energia.

In un tokamak, il potere di fusione è determinato dalla temperatura, densità del plasma e tempo di confinamento. Guadagno di fusione, espresso come il simbolo Q, è il rapporto tra la potenza di fusione e la potenza in ingresso necessaria per mantenere la reazione ed è quindi un indicatore chiave dell'efficienza del dispositivo. A Q =1, il punto di pareggio è stato raggiunto, ma a causa delle perdite di calore, i plasmi autosufficienti non vengono raggiunti fino a circa Q =5. I sistemi attuali hanno raggiunto valori estrapolati di Q =1.2. L'esperimento ITER in costruzione in Francia dovrebbe raggiungere Q =10, ma le centrali elettriche a fusione commerciali dovranno probabilmente raggiungere valori di Q ancora più elevati per essere economiche.

Poiché la densità elettronica nel nucleo del plasma è un elemento critico del guadagno di fusione, gli scienziati stanno sviluppando metodi per ottenere maggiori densità di picco. Un approccio precedentemente identificato e promettente è la riduzione delle collisioni elettrone-ione, un parametro che i fisici del plasma chiamano collisionalità. Però, la ricerca precedente non è stata in grado di stabilire l'esatta relazione tra il picco di densità e la collisionalità, né isolare l'effetto da altre caratteristiche del plasma.

Il team DIII-D ha condotto una serie di esperimenti in cui è stata variata solo la collisione del plasma mentre altri parametri sono stati mantenuti costanti. I risultati hanno dimostrato che la bassa collisionalità migliora il picco di densità elettronica attraverso la formazione di una barriera interna al movimento delle particelle attraverso il plasma, che a sua volta alterava la turbolenza del plasma. Il lavoro precedente aveva suggerito che l'effetto potesse essere dovuto al riscaldamento del plasma mediante iniezione di fasci neutri, ma gli esperimenti mostrano che era legato al trasporto di particelle e alla turbolenza.

"Questo lavoro migliora sostanzialmente la comprensione del comportamento degli elettroni nel nucleo del plasma, che è un'area di grande importanza per aumentare il guadagno di fusione, "ha detto David Hill, direttore di DIII-D. "Questo è un altro passo importante verso l'energia da fusione pratica nei futuri reattori commerciali".