Il processo progettato per raccogliere sulla Terra l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle può a volte essere ingannato. I ricercatori del laboratorio di fisica del plasma del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) di Princeton hanno derivato e dimostrato un po' di mano leggera chiamata "quasi-simmetria" che potrebbe accelerare lo sviluppo dell'energia di fusione come un sicuro, fonte di energia pulita e praticamente illimitata per la generazione di elettricità.

Le reazioni di fusione combinano 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. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di riprodurre il processo in strutture di fusione a forma di ciambella chiamate tokamak che riscaldano il plasma a temperature di milioni di gradi e lo confinano in campi magnetici simmetrici prodotti da bobine per creare reazioni di fusione.

Problema cruciale

Un problema cruciale per questi sforzi è mantenere la rapida rotazione del plasma a forma di ciambella che turbina all'interno di un tokamak. Però, piccole distorsioni del campo magnetico, o increspature, causato dal disallineamento delle bobine del campo magnetico, può rallentare il movimento del plasma, rendendolo più instabile. I disallineamenti della bobina e le increspature di campo risultanti sono minuscole, piccola come 1 parte su 10, 000 parti del campo, ma possono avere un impatto significativo.

Mantenere la stabilità nei futuri tokamak come ITER, la struttura internazionale che verrà costruita in Francia per dimostrare la fattibilità dell'energia da fusione, sarà essenziale per raccogliere l'energia per generare elettricità. Un modo per ridurre al minimo l'impatto delle increspature del campo è aggiungere magneti aggiuntivi per annullare, o guarire, l'effetto degli errori del campo magnetico. Però, le increspature del campo non possono mai essere completamente annullate e fino ad ora non esisteva un metodo ottimale per mitigarne gli effetti.

Il metodo appena scoperto richiede di ingannare le particelle di plasma vorticose annullando gli errori del campo magnetico lungo il percorso che percorrono. "Un modo per preservare la rotazione fornendo stabilità è quello di cambiare la forma del campo magnetico in modo che le particelle siano indotte a pensare che non si muovano in un campo magnetico increspato, " ha detto il fisico del PPPL Jong-Kyu Park, autore principale di un articolo in Lettere di revisione fisica (PRL) che propone una soluzione. "Dobbiamo rendere quasi simmetrico il campo 3D all'interno del plasma per ingannare le particelle facendole comportare come se non fossero influenzate dai campi, " ha detto Parco.

Quasi-simmetria

Quasi-simmetria, una forma di simmetria del campo magnetico introdotta dai fisici che studiano i tortuosi sistemi di confinamento magnetico chiamati stellaratori, può essere utilizzato per ridurre al minimo gli effetti negativi dei campi 3D nei tokamak. Tale minimizzazione può migliorare sia il confinamento energetico che la stabilità del plasma migliorando il suo flusso rotazionale.

"Se puoi modificare questi campi 3D per ridurre la tendenza delle particelle ad allontanarsi da dove sono iniziate, quindi possiamo mantenere la rotazione naturale del plasma e il confinamento di particelle e calore, " ha detto il fisico del PPPL Raffi Nazikian, un coautore del documento.

Park e colleghi hanno dimostrato l'uso della quasi-simmetria per rendere per lo più innocue le increspature del campo di errore nei tokamak. I test sulla struttura nazionale di fusione DIII-D presso la General Atomics (GA) a San Diego e la struttura coreana Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) in Corea del Sud hanno mostrato risultati positivi. Il processo "fornisce un percorso affidabile di ottimizzazione completa del campo di errore nei plasmi che bruciano per fusione, "secondo il giornale.

Sebbene tali ottimizzazioni saranno vitali, gli scienziati usano tipicamente le increspature del campo magnetico per far fronte ad altri problemi. Per esempio, su DIII-D, i ricercatori hanno utilizzato bobine speciali per ridurre o eliminare le modalità localizzate ai bordi (ELM), esplosioni di calore esplosive che possono danneggiare l'interno dei tokamak.

Esempi importanti

Tali casi sono l'esempio più importante del buon uso delle increspature e le nuove scoperte segnano una svolta nel trattare quelle cattive. "Jong-Kyu ha preso gli algoritmi per adattare i fastidiosi campi magnetici tridimensionali del tokamak a un nuovo livello, " ha detto Carlos Paz-Soldan, co-autore dell'articolo come fisico DIII-D e ora professore associato presso la Columbia University. "Questo quadro sarà sicuramente la base su cui verranno sviluppate le future strategie di controllo per questi campi, " Ha detto Paz-Soldan.

Gli scienziati stanno anche perseguendo attivamente il concetto di quasi-simmetria per ottimizzare la progettazione di strutture di fusione stellare che operano intrinsecamente con campi 3D. Il concetto ha dimostrato successo nel ridurre al minimo la perdita di calore e particelle negli stellarator, un problema di vecchia data con le strutture a forma di cruller che utilizzano una serie di complesse bobine attorcigliate che si muovono a spirale come strisce su un bastoncino di zucchero per produrre campi magnetici.

Il lavoro di Stellarator illustra l'ampia applicabilità della quasi-simmetria nella ricerca sulla fusione. Il prossimo passo, detto Parco, sarà applicare il concetto a ITER, "così possiamo fare un buon lavoro per correggere i campi di errore in quel tokamak."