Il modello di turbolenza chiamato Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), sviluppato al Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) a Garching, Germania, si è rivelato molto utile per la descrizione teorica della turbolenza nel plasma dei dispositivi di fusione di tipo tokamak. Esteso per la geometria più complessa dei dispositivi di tipo stellarator, le simulazioni al computer con GENE ora indicano un nuovo metodo per ridurre la turbolenza del plasma nei plasmi stellarator. Ciò potrebbe aumentare significativamente l'efficienza di una futura centrale elettrica a fusione.

Per i ricercatori sulla fusione dell'IPP, che vogliono sviluppare una centrale elettrica basata sul modello del sole, la formazione di turbolenza nel suo combustibile, un plasma di idrogeno, è un argomento di ricerca centrale. I piccoli vortici trasportano particelle e calore fuori dal centro del plasma caldo e quindi riducono l'isolamento termico del plasma confinato magneticamente. Poiché le dimensioni e quindi il prezzo dell'elettricità di una futura centrale elettrica a fusione dipendono da essa, uno degli obiettivi più importanti è capire, prevedere e influenzare questo "trasporto turbolento".

Poiché l'esatta descrizione computazionale della turbolenza del plasma richiederebbe la soluzione di sistemi di equazioni altamente complessi e l'esecuzione di innumerevoli passaggi computazionali, il processo di sviluppo del codice è finalizzato al raggiungimento di ragionevoli semplificazioni. Il codice GENE sviluppato all'IPP si basa su un insieme di cosiddette equazioni girocinetiche. Ignorano tutti i fenomeni nel plasma che non giocano un ruolo importante nel trasporto turbolento. Sebbene lo sforzo computazionale possa essere ridotto di molti ordini di grandezza in questo modo, i supercomputer più veloci e potenti del mondo sono sempre stati necessari per sviluppare ulteriormente il codice. Intanto, GENE è in grado di descrivere la formazione e la propagazione di piccoli vortici di plasma a bassa frequenza all'interno del plasma e di riprodurre e spiegare i risultati sperimentali, ma originariamente solo per i modelli semplicemente costruiti, perché sistemi di fusione assialsimmetrici del tipo tokamak.

Per esempio, i calcoli con GENE hanno mostrato che gli ioni veloci possono ridurre notevolmente il trasporto turbolento nei plasmi tokamak. Gli esperimenti al tokamak di aggiornamento ASDEX a Garching hanno confermato questo risultato. Gli ioni veloci richiesti sono stati forniti dal riscaldamento al plasma utilizzando onde radio della frequenza ionica ciclotrone.

Un codice tokamak per stellarator

In stellarator, questa soppressione della turbolenza da parte di ioni veloci non era stata finora osservata sperimentalmente. Però, gli ultimi calcoli con GENE ora suggeriscono che questo effetto dovrebbe esistere anche nei plasmi stellarator:nello stellarator Wendelstein 7-X all'IPP a Greifswald, potrebbe teoricamente ridurre la turbolenza di oltre la metà. Come gli scienziati dell'IPP Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro e Frank Jenko mostrano nel diario Lettere di revisione fisica , la temperatura ionica ottimale dipende fortemente dalla forma del campo magnetico.

Professor Frank Jenko, capo del dipartimento di teoria Tokamak presso l'IPP a Garching, dice, "Se questo risultato calcolato sarà confermato in futuri esperimenti con Wendelstein 7-X a Greifswald, questo potrebbe aprire la strada a plasmi interessanti ad alte prestazioni".

Al fine di utilizzare GENE per il calcolo della turbolenza nei plasmi di forma più complicata degli stellarator, sono stati necessari importanti adeguamenti del codice. Senza la simmetria assiale dei tokamak, bisogna fare i conti con una geometria molto più complessa per gli stellarator.

Per il professor Per Helander, capo del dipartimento di teoria di Stellarator presso l'IPP a Greifswald, le simulazioni di stellarator eseguite con GENE sono "fisiche molto eccitanti". Spera che i risultati possano essere verificati nello stellarator Wendelstein 7-X a Greifswald. "Se i valori del plasma in Wendelstein 7-X sono adatti per tali esperimenti può essere indagato quando, nel prossimo periodo sperimentale, il sistema di riscaldamento a onde radio sarà messo in funzione in aggiunta all'attuale riscaldamento a microonde e particelle, "dice il professor Robert Wolf, il cui dipartimento è responsabile del riscaldamento al plasma.

GENE diventa GENE-3-D

Secondo Frank Jenko, è stato un altro "passo enorme" per rendere GENE non solo approssimativamente, ma perfettamente adatta al complesso, forma tridimensionale degli stellaratori. Dopo quasi cinque anni di lavoro di sviluppo, il codice GENE-3-D, ora presentato in Journal of Computational Physics di Maurice Maurer e coautori, fornisce un "calcolo della turbolenza veloce e tuttavia realistico anche per gli stellarator, " dice Frank Jenko. A differenza di altri codici di turbolenza stellarator, GENE-3-D descrive l'intera dinamica del sistema, cioè il moto turbolento degli ioni e anche degli elettroni su tutto il volume interno del plasma, comprese le fluttuazioni risultanti del campo magnetico.