Un modo in cui gli scienziati cercano di portare sulla Terra il processo di fusione che alimenta il sole e le stelle è intrappolare il caldo, gas plasma caricato all'interno di un dispositivo a bobina magnetica attorcigliata a forma di crogiolo per la colazione. Ma il dispositivo, chiamato stellarator, devono essere progettati con precisione per evitare che il calore fuoriesca dal nucleo del plasma dove alimenta le reazioni di fusione. Ora, i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato che un codice avanzato per computer potrebbe aiutare a progettare stellarator che confinano il calore essenziale in modo più efficace.

Il codice, chiamato XGC-S, apre nuove porte nella ricerca stellarator. "Il risultato principale della nostra ricerca è che possiamo utilizzare il codice per simulare sia i primi, o lineare, e turbolento comportamento del plasma in stellarator, " ha detto il fisico PPPL Michael Cole, autore principale del documento che riporta i risultati in Fisica dei Plasmi . "Ciò significa che possiamo iniziare a determinare quale forma di stellarator contiene meglio il calore e mantiene in modo più efficiente le condizioni per la fusione".

Fusion combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici e genera enormi quantità di energia nel sole e nelle stelle. Gli scienziati mirano a replicare la fusione nei dispositivi sulla Terra per una fornitura praticamente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

Gli scienziati del PPPL hanno simulato il comportamento del plasma all'interno di macchine a fusione che sembrano una ciambella ma con pizzichi e deformazioni che rendono il dispositivo più efficiente, una sorta di forma nota come quasi assialsimmetrica. I ricercatori hanno utilizzato una versione aggiornata di XGC, un codice all'avanguardia sviluppato al PPPL per modellare la turbolenza negli impianti di fusione a forma di ciambella chiamati tokamak, che hanno una geometria più semplice. Le modifiche di Cole e dei suoi colleghi hanno permesso al nuovo codice XGC-S di modellare anche i plasmi negli stellarator geometricamente più complicati.

Le simulazioni hanno mostrato che un tipo di disturbo limitato a una piccola area può diventare complesso ed espandersi per riempire uno spazio più ampio all'interno del plasma. I risultati hanno mostrato che XGC-S potrebbe simulare questo tipo di plasma stellarator in modo più accurato di quanto fosse possibile in precedenza.

"Penso che questo sia l'inizio di uno sviluppo davvero importante nello studio della turbolenza negli stellarator, "ha detto David Gates, capo del Dipartimento di Progetti Avanzati del PPPL. "Si apre una grande finestra per ottenere nuovi risultati."

I risultati dimostrano la riuscita modifica del codice XGC per simulare la turbolenza negli stellarator. Il codice può calcolare la turbolenza negli stellarator dal nucleo di plasma al bordo, fornendo un quadro più completo del comportamento del plasma.

"La turbolenza è uno dei meccanismi principali che causa la fuoriuscita di calore dai plasmi di fusione, " disse Cole. "Poiché gli stellarator possono essere costruiti in una maggiore varietà di forme rispetto ai tokamak, potremmo essere in grado di trovare forme che controllano la turbolenza meglio dei tokamak. Cercarli costruendo tanti grandi esperimenti è troppo costoso, quindi abbiamo bisogno di grandi simulazioni per cercarli virtualmente."

I ricercatori hanno in programma di modificare ulteriormente XGC-S per produrre una visione ancora più chiara di come la turbolenza causi la dispersione di calore. Più un quadro è completo, più gli scienziati si avvicineranno alla simulazione di esperimenti di stellarator nel regno virtuale. "Una volta che hai un codice accurato e un computer potente, cambiare il design di stellarator che stai simulando è facile, " ha detto Cole.