Portare il potere del sole sulla Terra richiede una solida teoria, buona ingegneria, e un po' di finezza. Il processo comporta l'intrappolamento addebitato, gas ultra-caldo noto come plasma in modo che le sue particelle possano fondersi e rilasciare enormi quantità di energia. Le strutture più utilizzate per questo processo sono i tokamak a forma di ciambella che trattengono il plasma con potenti magneti sagomati e posizionati con precisione. Ma gli errori nella forma o nel posizionamento di questi magneti possono portare a uno scarso confinamento e alla perdita di plasma, interruzione delle reazioni di fusione.

Ora, un gruppo internazionale di ricercatori guidati da fisici presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha sviluppato una tecnica che prevede come i tokamak potrebbero rispondere a questi errori magnetici indesiderati. Queste previsioni potrebbero aiutare gli ingegneri a progettare impianti di fusione che creano in modo efficiente una fornitura virtualmente inesauribile di energia di fusione sicura e pulita per generare elettricità.

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 riprodurre e controllare questo processo sulla Terra.

Il team ha formulato una regola nota come legge di scala che aiuta a dedurre le proprietà dei futuri tokamak dai dispositivi attuali. La legge deriva in gran parte da tre anni di esperimenti sul DIII-D National Fusion Facility che la General Atomics gestisce per il DOE a San Diego. I ricercatori hanno anche attinto a un database di effetti del campo di errore gestito dal gruppo International Tokamak Physics Activity di ITER, che coordina la ricerca sulla fusione in tutto il mondo.

Ora sono necessari dati da dispositivi aggiuntivi con una gamma di dimensioni per aumentare la fiducia nell'estrapolazione della legge di scala per prevedere quanto possono essere grandi i campi di errore prima dell'interruzione in ITER, la multinazionale tokamak in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione.

Formazione di campi di errore

Le irregolarità nella forma o nel posizionamento dei magneti di un tokamak possono produrre campi di errore che innescano un'interruzione nel plasma, facendolo fuggire improvvisamente dai campi magnetici e rilasciare molta energia. "La domanda è quanto un campo di errore ITER può tollerare senza interrompere, " ha detto Nikolas Logan, Fisico PPPL e autore principale di un articolo che riporta i risultati in Fusione nucleare . "Vogliamo prevenire interruzioni in ITER perché potrebbero interferire con le reazioni di fusione e danneggiare le pareti".

Poiché ITER è in costruzione, i ricercatori hanno utilizzato un mash-up di due codici di computer per modellare gli effetti dei campi di errore sui plasmi per i tokamak in Corea del Sud, Cina, il Regno Unito, e altri paesi, rafforzando gli errori fino alla rottura dei plasmi. I ricercatori speravano di trovare modelli che consentissero loro di formulare una semplice regola che aiutasse a fare congetture sulle future interruzioni del campo di errore nei tokamak in costruzione.

I codici combinati modellavano il plasma in modo più accurato di quanto ogni singolo codice potesse fare da solo. Il codice TM1 sviluppato dal Max Planck Institute for Plasma Physics in Germania risolve equazioni che modellano il comportamento caotico del plasma in forme cilindriche, mentre il codice IPEC (Ideal Perturbed Equilibrium Code) sviluppato presso PPPL modella il plasma in una forma tokamak. "Combinando questi codici, siamo stati in grado di simulare un'ampia gamma di condizioni che potrebbero verificarsi in una varietà di dispositivi, compreso ITER, " ha detto il fisico PPPL Qiming Hu, uno degli autori dell'articolo. "È importante ottenere previsioni accurate per ITER perché nessuna macchina attuale è di quelle dimensioni".

"Questo lavoro amplia la nostra conoscenza degli effetti dei campi di errore nei dispositivi di fusione, " disse Raffi Nazikian, capo del dipartimento ITER e Tokamak presso PPPL. "La combinazione di analisi numerica e sperimentale fornisce una base convincente per valutare l'importanza dei campi di errore in ITER e nei futuri reattori".

Prossimi passi

Logan e Hu sperano di raccogliere maggiori informazioni dagli esperimenti sui tokamak per rendere la legge di scala più precisa, consentendogli di prevedere le prestazioni del plasma sia nella regione centrale che in quella marginale del plasma. "Questo non è un giornale campanello d'allarme, " ha detto Logan. "Aiuta i fisici e gli ingegneri a sapere con quanta attenzione devono considerare i potenziali campi di errore prima di mettere molta potenza in ITER".

I collaboratori includevano ricercatori di General Atomics, l'Istituto di fisica del plasma dell'Accademia ceca delle scienze, l'Istituto di Fisica del Plasma dell'Accademia Cinese delle Scienze, Istituto nazionale coreano di scienza e tecnologia di Ulsan, il Culham Centre of Fusion Energy del Regno Unito, Consorzio RFX Italia, Istituto tedesco Max Planck per la fisica del plasma, e il Plasma Science and Fusion Center presso il Massachusetts Institute of Technology.