Una sfida chiave per gli scienziati che si sforzano di produrre sulla Terra l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle è impedire quelli che vengono chiamati elettroni in fuga, particelle liberate in esperimenti di fusione interrotta che possono perforare i tokamak, le macchine a forma di ciambella che ospitano gli esperimenti. Scienziati guidati da ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hanno utilizzato una nuova diagnostica con capacità ad ampio raggio per rilevare la nascita, e le fasi di crescita lineare ed esponenziale degli elettroni in fuga ad alta energia, che può consentire ai ricercatori di determinare come prevenire il danno degli elettroni.

Energia iniziale

"Dobbiamo vedere questi elettroni alla loro energia iniziale piuttosto che quando sono completamente cresciuti e si muovono quasi alla velocità della luce, " ha detto il fisico PPPL Luis Delgado-Aparicio, che ha condotto l'esperimento che ha rilevato i primi fuggiaschi sul Madison Symmetric Torus (MST) presso l'Università del Wisconsin-Madison. "Il prossimo passo è ottimizzare i modi per fermarli prima che la popolazione di elettroni in fuga possa crescere in una valanga, " disse Delgado-Aparicio, autore principale di un primo articolo che dettaglia i risultati nel Rassegna di strumenti scientifici .

Le reazioni di fusione producono grandi quantità di energia combinando 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. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di produrre e controllare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per la generazione di elettricità

PPPL ha collaborato con l'Università del Wisconsin per installare la telecamera pinhole multi-energia su MST, che è servito come banco di prova per le capacità della fotocamera. La diagnostica aggiorna e ridisegna una telecamera che PPPL aveva precedentemente installato sul tokamak Alcator C-Mod ora chiuso al Massachusetts Institute of Technology (MIT), ed è unico nella sua capacità di registrare non solo le proprietà del plasma nel tempo e nello spazio, ma anche la sua distribuzione di energia.

Questa abilità consente ai ricercatori di caratterizzare sia l'evoluzione del plasma supercaldo che la nascita di elettroni in fuga, che iniziano a bassa energia. "Se comprendiamo il contenuto energetico, posso dirvi qual è la densità e la temperatura del plasma di fondo, nonché la quantità di elettroni in fuga, " Ha detto Delgado Aparicio. "Quindi aggiungendo questa nuova variabile energetica possiamo scoprire diverse quantità del plasma e usarla come diagnostica".

Nuova fotocamera

L'uso della nuova fotocamera fa progredire la tecnologia. "Questa è stata certamente una grande collaborazione scientifica, " ha detto il fisico Carey Forest, un professore dell'Università del Wisconsin che supervisiona il MST, che descrive come "una macchina molto robusta in grado di produrre elettroni in fuga che non mettono in pericolo il suo funzionamento".

Di conseguenza, Foresta ha detto, "La capacità di Luis di diagnosticare non solo il luogo di nascita e la fase iniziale di crescita lineare degli elettroni mentre vengono accelerati, e poi seguire come vengono trasportati dall'esterno verso l'interno, è affascinante. Il prossimo passo sarà confrontare la sua diagnosi con la modellizzazione e, naturalmente, una migliore comprensione potrebbe portare a nuove tecniche di mitigazione in futuro".

Delgado-Aparicio guarda già avanti. "Voglio prendere tutta l'esperienza che abbiamo sviluppato su MST e applicarla a un grande tokamak, " ha detto. Due ricercatori post-dottorato che Delgado-Aparicio supervisiona possono basarsi sui risultati di MST, ma a WEST, l'ambiente di tungsteno (O) nel Tokamak allo stato stazionario gestito dalla Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica (CEA) a Cadarache, Francia.

Gamma di usi

"Quello che voglio fare con i miei post-doc è usare le fotocamere per molte cose diverse, incluso il trasporto di particelle, confinamento, riscaldamento a radiofrequenza e anche questa nuova svolta, la diagnosi e lo studio degli elettroni in fuga, " Disse Delgado-Aparicio. "In pratica vorremmo capire come dare agli elettroni un atterraggio morbido, e questo potrebbe essere un modo molto sicuro per affrontarli."

Due dozzine di ricercatori hanno partecipato alla ricerca con Delgado-Aparicio e sono stati co-autori del documento su questo lavoro. Erano inclusi sette fisici del PPPL e otto dell'Università del Wisconsin. Insieme a loro c'erano un totale di tre ricercatori dell'Università di Tokyo, Kyushi University e il National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology in Giappone; cinque membri di Dectris, un produttore svizzero di rilevatori; e un fisico dell'Edgewood College di Madison, Wisconsin.