Gli scienziati hanno trovato un nuovo modo per evitare che fastidiose bolle magnetiche nel plasma interferiscano con le reazioni di fusione, offrendo un potenziale modo per migliorare le prestazioni dei dispositivi per l'energia di fusione. E deriva dalla gestione delle onde a radiofrequenza (RF) per stabilizzare le bolle magnetiche, che possono espandersi e creare interruzioni che possono limitare le prestazioni di ITER, l'impianto internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione.

Isole magnetiche

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno sviluppato il nuovo modello per il controllo di queste bolle magnetiche, o isole. Il nuovo metodo modifica la tecnica standard di depositare costantemente i raggi radio (RF) nel plasma per stabilizzare le isole, una tecnica che si dimostra inefficace quando la larghezza di un'isola è piccola rispetto alla dimensione caratteristica della regione su cui si deposita il raggio RF il suo potere.

Questa regione denota la "lunghezza di smorzamento, " l'area su cui la potenza RF verrebbe tipicamente depositata in assenza di qualsiasi feedback non lineare. L'efficacia della potenza RF può essere notevolmente ridotta quando la dimensione della regione è maggiore della larghezza dell'isola, una condizione chiamata "basso -smorzamento" - gran parte della potenza poi fuoriesce dall'isola.

Tokamak, strutture di fusione a forma di ciambella che possono sperimentare tali problemi, sono i dispositivi più utilizzati dagli scienziati di tutto il mondo che cercano di produrre e controllare le reazioni di fusione per fornire una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità. Tali reazioni combinano elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99 percento dell'universo visibile, per generare le enormi quantità di energia che guidano il sole e le stelle.

Superare il problema

Il nuovo modello prevede che depositare i raggi in impulsi piuttosto che in flussi stazionari può superare il problema delle perdite, disse Suying Jin, uno studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics con sede presso PPPL e autore principale di un articolo che descrive il metodo in Fisica dei Plasmi . "La pulsazione può anche ottenere una maggiore stabilizzazione in casi ad alto smorzamento per la stessa potenza media, " lei disse.

Perché questo processo funzioni, "il pulsare deve essere fatto ad una velocità che non sia né troppo veloce né troppo lenta, " ha detto. "Questo punto debole dovrebbe essere coerente con la velocità con cui il calore dissipa dall'isola attraverso la diffusione."

Il nuovo modello si basa sul lavoro passato dei coautori e consulenti di Jin, Allan Reiman, un Distinguished Research Fellow presso PPPL, e il professor Nat Fisch, direttore del Programma in Fisica del Plasma presso la Princeton University e direttore associato per gli affari accademici presso PPPL. La loro ricerca fornisce il quadro non lineare per lo studio della deposizione di potenza RF per stabilizzare le isole magnetiche.

"Il significato del lavoro di Suying, "Reiman ha detto, "è che espande considerevolmente gli strumenti che possono essere utilizzati su quello che ora è riconosciuto come forse il problema chiave che affronta la fusione economica usando l'approccio tokamak. I tokamak sono afflitti da queste isole instabili e naturali, che portano alla perdita disastrosa e improvvisa del plasma."

Fisch ha aggiunto:"Il lavoro di Suying non solo suggerisce nuove metodologie di controllo; la sua identificazione di questi nuovi effetti previsti potrebbe costringerci a rivalutare i risultati sperimentali passati in cui questi effetti potrebbero aver giocato un ruolo non apprezzato. Il suo lavoro ora motiva esperimenti specifici che potrebbero chiarire i meccanismi in gioco e indicano esattamente il modo migliore per controllare queste disastrose instabilità".

Modello originale

Il modello originale di deposizione RF ha mostrato che aumenta la temperatura e guida la corrente al centro di un'isola per impedirne la crescita. Il feedback non lineare si attiva quindi tra la deposizione di potenza e i cambiamenti nella temperatura dell'isola che consente una stabilizzazione notevolmente migliorata. A governare questi cambiamenti di temperatura è la diffusione del calore dal plasma ai margini dell'isola.

Però, in regimi ad alto smorzamento, dove la lunghezza di smorzamento è inferiore alla dimensione dell'isola, questo stesso effetto non lineare può creare un problema chiamato "shadowing" durante la deposizione in stato stazionario che fa sì che il raggio RF si esaurisca prima che raggiunga il centro dell'isola.

"Per prima cosa abbiamo esaminato gli schemi RF pulsati per risolvere il problema delle ombre, " disse Jin. "Tuttavia, si è scoperto che nei regimi ad alto smorzamento il feedback non lineare provoca effettivamente la pulsazione per esacerbare l'ombra, e il raggio si esaurisce anche prima. Quindi abbiamo ribaltato il problema e abbiamo scoperto che l'effetto non lineare può quindi causare pulsazioni per ridurre la perdita di potenza dall'isola in scenari a basso smorzamento".

Queste tendenze previste si prestano naturalmente alla verifica sperimentale, disse Jin. "Tali esperimenti, "ha notato, "mirerebbe a dimostrare che la pulsazione aumenta la temperatura di un'isola fino al raggiungimento della stabilizzazione ottimale del plasma".