Immagina un aereo che può salire solo a una o due quote dopo il decollo. Tale limitazione sarebbe simile alla difficile situazione che devono affrontare gli scienziati che cercano di evitare instabilità che limitano il percorso per pulire, energia di fusione sicura e abbondante in strutture tokamak a forma di ciambella. I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e della General Atomics (GA) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno ora pubblicato una spiegazione rivoluzionaria di questa restrizione del tokamak e di come può essere superata.

Toroidale, o a forma di ciambella, i tokamak sono soggetti a intense esplosioni di calore e particelle, chiamate modalità localizzate sui bordi (ELM). Questi ELM possono danneggiare le pareti del reattore e devono essere controllati per sviluppare una potenza di fusione affidabile. Fortunatamente, gli scienziati hanno imparato a domare questi ELM applicando campi magnetici increspati a spirale alla superficie del plasma che alimenta le reazioni di fusione. Però, l'addomesticamento degli ELM richiede condizioni molto specifiche che limitano la flessibilità operativa dei reattori tokamak.

Soppressione ELM

Ora, ricercatori di PPPL e GA hanno sviluppato un modello che, per la prima volta, riproduce accuratamente le condizioni per la soppressione dell'ELM nel DIII-D National Fusion Facility che GA opera per DOE. Il modello prevede le condizioni in cui la soppressione ELM dovrebbe estendersi a una gamma più ampia di condizioni operative nel tokamak di quanto si pensasse in precedenza possibile. Il lavoro presenta importanti previsioni su come ottimizzare l'efficacia della soppressione degli ELM in ITER, il massiccio dispositivo internazionale di fusione in costruzione nel sud della Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione.

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, combina 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. I tokamak sono i dispositivi più utilizzati dagli scienziati che cercano di replicare la fusione come fonte rinnovabile, fonte di energia praticamente illimitata senza emissioni di carbonio per la generazione di elettricità.

I fisici PPPL Qiming Hu e Raffi Nazikian sono gli autori principali di un articolo che descrive il modello in Lettere di revisione fisica . Notano che in condizioni normali il campo magnetico increspato può sopprimere gli ELM solo per valori molto precisi della corrente di plasma che produce i campi magnetici che confinano il plasma. Ciò crea un problema perché i reattori tokamak devono funzionare su un'ampia gamma di correnti di plasma per esplorare e ottimizzare le condizioni necessarie per generare energia da fusione.

Modificare le increspature magnetiche

Gli autori mostrano come, modificando la struttura delle increspature magnetiche elicoidali applicate al plasma, Gli ELM dovrebbero essere eliminati su una gamma più ampia di corrente al plasma con una migliore generazione di potenza di fusione. Hu ha affermato di ritenere che i risultati potrebbero fornire a ITER l'ampia flessibilità operativa di cui avrà bisogno per dimostrare la praticità dell'energia da fusione. "Questo modello potrebbe avere implicazioni significative per la soppressione degli ELM in ITER, " Egli ha detto.

Infatti, "Quello che abbiamo fatto è prevedere con precisione quando possiamo ottenere la soppressione dell'ELM su intervalli più ampi della corrente di plasma, " disse Nazikian, che sovrintende alla ricerca PPPL sui tokamak. "Cercando di capire alcuni strani risultati che abbiamo visto su DIII-D, abbiamo scoperto la fisica chiave che controlla la gamma di soppressione ELM che può essere ottenuta utilizzando questi campi magnetici increspati elicoidalmente. Quindi siamo tornati indietro e abbiamo scoperto un metodo che potrebbe produrre finestre operative più ampie di soppressione ELM più di routine in DIII-D e ITER".

Funzionamento migliorato del tokamak

I risultati aprono la porta a un funzionamento potenziato del tokamak. "Questo lavoro descrive un percorso per espandere lo spazio operativo per il controllo dell'instabilità dei bordi nei tokamak modificando la struttura delle increspature, " ha detto Carlos Paz-Soldan, uno scienziato GA e un coautore del documento. "Non vediamo l'ora di testare queste previsioni con le nostre bobine di campo aggiornate che sono previste per DIII-D tra qualche anno".

Tornando all'analogia con l'aereo, "Se potessi volare solo a una o due diverse altitudini, il viaggio sarebbe molto limitato, " ha detto il fisico PPPL Brian Grierson, un coautore del documento. "La correzione della restrizione consentirebbe all'aereo di sorvolare un'ampia gamma di altitudini al fine di ottimizzare la sua traiettoria di volo e compiere la sua missione". Nello stesso modo, il presente documento delinea un approccio che dovrebbe espandere le capacità dei reattori a fusione di funzionare senza ELM che possono danneggiare le strutture e ostacolare lo sviluppo di tokamak per l'energia da fusione.