Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno approfondito la comprensione di una barriera che può impedire agli impianti di fusione a forma di ciambella noti come tokamak di funzionare ad alta efficienza causando la perdita di calore vitale da essi.

Guidati dal fisico del PPPL Roscoe White, il team di ricerca ha utilizzato i computer per simulare un tipo di movimento del plasma che può far urtare particelle altamente energetiche dal nucleo al bordo, un fenomeno che potrebbe verificarsi in ITER, la multinazionale tokamak in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità della fusione come fonte di energia.

"Per far funzionare qualsiasi dispositivo di fusione, devi assicurarti che le particelle altamente energetiche al suo interno siano molto ben confinate all'interno del nucleo del plasma, " ha detto il fisico PPPL Vinícius Duarte, un membro del gruppo di ricerca che ha riportato i risultati in Fisica dei Plasmi . "Se quelle particelle si spostano sul bordo del plasma, non puoi sostenere il plasma che brucia allo stato stazionario necessario per rendere l'elettricità alimentata dalla fusione una realtà."

Duarte si riferisce ad un fenomeno chiamato "cinguettio" che si verifica quando la frequenza delle onde di plasma che interagiscono con particelle altamente energetiche cambia improvvisamente, in ultima analisi, provocando la fuoriuscita di energia dal nucleo del plasma e producendo toni che cambiano rapidamente. Le nuove scoperte, che chiariscono aspetti di come si forma il cinguettio in un tokamak, potrebbe aiutare i ricercatori a capire come contrastare i cinguettii e mantenere il calore vitale. Prevenire gli improvvisi cambi di frequenza potrebbe anche proteggere le pareti del tokamak dall'improvviso rilascio di esplosioni di energia concentrate e dannose.

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 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.

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer che mostravano viste molto dettagliate del movimento dei conglomerati di particelle di plasma per rivelare alcuni dei meccanismi responsabili del cinguettio, dando speranza che gli scienziati possano trovare modi per migliorare i suoi effetti. Gli scienziati hanno utilizzato il codice PPPL ORBIT per calcolare come la posizione e la velocità delle particelle di plasma cambiano nel tempo in tre dimensioni. Le simulazioni hanno mostrato che il cinguettio inizia quando le particelle in rapido movimento nel nucleo interagiscono con le onde che ondeggiano attraverso il plasma e formano spontaneamente grumi che migrano verso il bordo del plasma. I risultati confermano i risultati precedenti basati su configurazioni tokamak semplificate; rivelano anche dinamiche più ricche e complesse mai viste prima.

Questa interazione con le particelle di plasma fa sì che la frequenza delle cosiddette onde di plasma Alfvén aumenti e diminuisca simultaneamente, catapultando i cespi verso il bordo del plasma e talvolta contro il muro. "Gli strumenti sviluppati in questa ricerca hanno permesso di intravedere il complicato, dinamica auto-organizzata dei cinguettii in un tokamak, " Disse Duarte.

Gli scienziati hanno dovuto creare nuovi strumenti virtuali per osservare il movimento delle onde simulate con i dettagli necessari. "La cosa più difficile è stata inventare la diagnostica che mostrasse chiaramente cosa stava succedendo, " disse White. "In un certo senso, è come costruire un microscopio che ti permetta di vedere ciò che devi vedere."

Le nuove scoperte continuano uno sforzo di lunga data da parte dei membri del dipartimento di teoria PPPL che si concentra sulla comprensione del cinguettio, specialmente all'interno del National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) di PPPL. "Se lo capisci, "dice Bianco, "si possono trovare modi per far funzionare gli impianti di fusione senza di essa".