Un team internazionale di ricercatori guidati dal Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha aggiornato un codice informatico chiave per calcolare le forze che agiscono sul plasma confinato magneticamente negli esperimenti sull'energia di fusione. L'aggiornamento farà parte di una suite di strumenti computazionali che consentirà agli scienziati di migliorare ulteriormente la progettazione di strutture a forma di cruller per la colazione note come stellarator. Insieme, i tre codici nella suite potrebbero aiutare gli scienziati ad avvicinare alla realtà i reattori a fusione efficienti.

Il software rivisto consente ai ricercatori di determinare più facilmente il confine del plasma negli stellarator. Se utilizzato insieme ad altri due codici, il codice potrebbe aiutare a trovare una configurazione stellarator che migliori le prestazioni del progetto. I due codici complementari determinano la posizione ottimale per il plasma in una camera a vuoto stellarator per massimizzare l'efficienza delle reazioni di fusione, e determinare la forma che devono avere gli elettromagneti esterni per mantenere il plasma nella posizione corretta.

Il software rivisto, chiamato "codice di equilibrio della pressione a gradini a confine libero (SPEC), " è uno di una serie di strumenti che gli scienziati possono utilizzare per modificare le prestazioni del plasma per creare più facilmente energia di fusione. "Vogliamo ottimizzare sia la posizione del plasma che le bobine magnetiche per bilanciare la forza che fa espandere il plasma mantenendolo in luogo, " ha detto Stuart Hudson, fisico, vice capo del dipartimento di teoria del PPPL e autore principale del documento che riporta i risultati in Fisica del plasma e fusione controllata .

"In questo modo possiamo creare un plasma stabile le cui particelle hanno maggiori probabilità di fondersi. Il codice SPEC aggiornato ci consente di sapere dove sarà il plasma per un determinato set di bobine magnetiche".

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

La stabilità del plasma è cruciale per la fusione. Se il plasma rimbalza all'interno di uno stellarator, può scappare, fresco, e reprimere le reazioni di fusione, in effetti spegnendo il fuoco di fusione. Una versione precedente del codice, sviluppato anche da Hudson, potevano calcolare solo come le forze stavano influenzando un plasma se i ricercatori conoscevano già la posizione del plasma. Ricercatori, però, in genere non dispongono di tali informazioni. "Questo è uno dei problemi con i plasmi, "Ha detto Hudson. "Si muovono dappertutto."

La nuova versione del codice SPEC aiuta a risolvere il problema consentendo ai ricercatori di calcolare il confine del plasma senza conoscerne la posizione in anticipo. Utilizzato in coordinazione con un codice di progettazione della bobina chiamato FOCUS e un codice di ottimizzazione chiamato STELLOPT, entrambi anch'essi sviluppati presso PPPL, SPEC consente ai fisici di garantire contemporaneamente che il plasma avrà le migliori prestazioni di fusione e i magneti non saranno troppo complicati da costruire. "Non ha senso ottimizzare la forma del plasma e poi scoprire che i magneti sarebbero incredibilmente difficili da costruire, "Ha detto Hudson.

Una sfida che Hudson e colleghi hanno dovuto affrontare è stata verificare che ogni passaggio dell'aggiornamento del codice fosse eseguito correttamente. Il loro approccio lento e costante è stato fondamentale per assicurarsi che il codice effettuasse calcoli accurati. "Supponiamo che tu stia progettando un componente che andrà su un razzo sulla luna, " Hudson ha detto. "È molto importante che quella parte funzioni. Quindi provi, provi e provi".

L'aggiornamento di qualsiasi codice del computer richiede una serie di passaggi interconnessi:

• Primo, gli scienziati devono tradurre una serie di equazioni matematiche che descrivono il plasma in un linguaggio di programmazione comprensibile da un computer;
• Prossimo, gli scienziati devono determinare i passaggi matematici necessari per risolvere le equazioni;
• Finalmente, gli scienziati devono verificare che il codice produca risultati corretti, sia confrontando i risultati con quelli prodotti da un codice che è già stato verificato, sia utilizzando il codice per risolvere semplici equazioni le cui risposte sono facilmente verificabili.

Hudson e colleghi hanno eseguito i calcoli con metodi molto diversi. Hanno usato carta e matita per determinare le equazioni e i passaggi della soluzione, e potenti computer PPPL per verificare i risultati. "Abbiamo dimostrato che il codice funziona, "Ha detto Hudson. "Ora può essere usato per studiare gli esperimenti attuali e progettarne di nuovi".