Un grosso ostacolo alla produzione di prodotti sicuri, l'energia di fusione pulita e abbondante sulla Terra è la mancanza di una comprensione dettagliata di come il caldo, il gas plasma carico che alimenta le reazioni di fusione si comporta ai margini degli impianti di fusione chiamati "tokamak". Le recenti scoperte dei ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno avanzato la comprensione del comportamento del bordo del plasma altamente complesso nei tokamak a forma di ciambella sulla strada per catturare l'energia di fusione che alimenta il sole e stelle. La comprensione di questa regione marginale sarà particolarmente importante per il funzionamento di ITER, l'esperimento internazionale di fusione in costruzione in Francia per dimostrare la praticità dell'energia da fusione.

Scoperta unica nel suo genere

Tra le scoperte più importanti c'è stata la scoperta che tenere conto delle fluttuazioni turbolente nei campi magnetici che confinano il plasma che alimenta le reazioni di fusione può ridurre significativamente il flusso di particelle turbolente vicino al bordo del plasma. Le simulazioni al computer mostrano che il flusso netto di particelle può diminuire fino al 30%, nonostante il fatto che l'entità media della fluttuazione della densità delle particelle turbolente aumenti del 60 percento, indicando che anche se le fluttuazioni della densità turbolenta sono più virulente, stanno spostando le particelle fuori dal dispositivo in modo meno efficace.

I ricercatori hanno sviluppato un codice specializzato chiamato "Gkeyll", pronunciato proprio come "Jekyll" in "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" di Robert Louis Stevenson, che rende queste simulazioni fattibili. Il codice matematico, una forma di modellazione chiamata "girocinetica, " simula l'orbita di particelle di plasma attorno alle linee del campo magnetico sul bordo di un plasma di fusione.

"Il nostro recente articolo riassume gli sforzi del gruppo Gkeyll nell'area della simulazione girocinetica, " ha detto il fisico PPPL Ammar Hakim, autore principale di un articolo sulla fisica dei plasmi che fornisce una panoramica dei risultati del gruppo, sulla base di un discorso su invito che ha tenuto alla conferenza della Divisione di fisica del plasma dell'American Physical Society (APS-DPP) lo scorso autunno. La ricerca, coautore di scienziati di sei istituzioni, adatta un algoritmo all'avanguardia al sistema girocinetico per sviluppare "le scoperte numeriche chiave necessarie per fornire simulazioni accurate, "ha detto Hakim.

Sforzo mondiale

Tali scoperte fanno parte dello sforzo mondiale per comprendere la scienza dietro la produzione di reazioni di fusione sulla Terra. Le reazioni di fusione combinano elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99 percento dell'universo visibile, per generare enormi quantità di energia che potrebbero fornire una fonte di energia virtualmente inesauribile per generare elettricità per l'umanità.

Noah Mandell, uno studente laureato nel programma della Princeton University in Plasma Physics, costruito sul lavoro del team per sviluppare il primo codice girocinetico in grado di gestire le fluttuazioni magnetiche in quello che viene chiamato strato di raschiatura del plasma (SOL) sul bordo dei plasmi tokamak. Il britannico Journal of Plasma Physics ha pubblicato ed evidenziato il suo rapporto come articolo in primo piano.

Mandell esplora come la turbolenza del plasma simile a un blob piega le linee del campo magnetico, portando alla dinamica delle "linee di campo danzanti". Scopre che le linee di campo di solito si muovono senza intoppi, ma quando si balla possono riconfigurarsi bruscamente in eventi di riconnessione che le fanno convergere e spezzarsi violentemente.

I risultati di Mandell sono meglio descritti come "prova di concetto" per quanto riguarda le fluttuazioni magnetiche, Egli ha detto. "Sappiamo che ci sono più effetti fisici che devono essere aggiunti al codice per confronti dettagliati con gli esperimenti, ma già le simulazioni mostrano interessanti proprietà vicino al bordo del plasma, " ha affermato. "La capacità di gestire la flessione delle linee del campo magnetico sarà essenziale anche per le future simulazioni dei modi localizzati sul bordo (ELM), cosa che vorremmo fare meglio per capire le esplosioni di calore che provocano che devono essere controllate per prevenire danni ai tokamak."

Molto impegnativo

Ciò che rende unica questa scoperta è che i precedenti codici girocinetici hanno simulato blob SOL ma presumevano che le linee di campo fossero rigide, ha notato Mandell. L'estensione di un codice girocinetico per calcolare il movimento delle linee dei campi magnetici è computazionalmente molto impegnativo, che richiedono algoritmi speciali per garantire che due termini di grandi dimensioni si bilanciano a vicenda con una precisione migliore di 1 parte su un milione.

Inoltre, mentre i codici che modellano la turbolenza nel nucleo del tokamak possono includere fluttuazioni magnetiche, tali codici non possono simulare la regione SOL. "Il SOL richiede codici specializzati come Gkeyll in grado di gestire fluttuazioni del plasma molto più grandi e interazioni con le pareti del reattore, " ha detto Mandell.

I passi futuri per il gruppo Gkeyll includeranno lo studio del preciso meccanismo fisico che influenza la dinamica del bordo del plasma, un effetto probabilmente connesso alle linee di campo di flessione. "Questo lavoro fornisce trampolini di lancio che ritengo molto importanti, " Hakim ha detto. "Senza gli algoritmi che abbiamo creato, questi risultati sarebbero molto difficili da applicare a ITER e ad altre macchine."