I fisici sono come le api:possono impollinare in modo incrociato, prendere idee da un'area e usarle per sviluppare scoperte in altre aree. Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno trasferito una tecnica da un ambito della fisica del plasma a un altro per consentire la progettazione più efficiente di potenti magneti per impianti di fusione a forma di ciambella noti come tokamak. Tali magneti confinano e controllano il plasma, il quarto stato della materia che costituisce il 99 percento dell'universo visibile e alimenta le reazioni di fusione.

Progettare questi magneti non è semplice, soprattutto quando devono essere modellati con precisione per creare complessi, Campi magnetici tridimensionali per il controllo delle instabilità del plasma. Quindi è appropriato che la nuova tecnica provenga da scienziati che progettano stellarator, dispositivi di fusione a forma di cruller che richiedono magneti così accuratamente costruiti. In altre parole, gli scienziati del PPPL stanno usando un codice di computer stellarator per immaginare la forma e la forza dei magneti tokamak attorcigliati che possono stabilizzare i plasmi tokamak e sopravvivere alle condizioni estreme previste in un reattore a fusione.

Questa intuizione potrebbe facilitare la costruzione di strutture di fusione tokamak che portano il potere del sole e delle stelle sulla Terra. "Nel passato, è stato un viaggio di scoperta, " ha detto Nik Logan, un fisico del Lawrence Livermore National Laboratory del DOE che ha guidato la ricerca mentre era al PPPL. "Dovevi costruire qualcosa, Provalo , e usa i dati per imparare a progettare il prossimo esperimento. Ora possiamo usare questi nuovi strumenti di calcolo per progettare questi magneti più facilmente, utilizzando principi raccolti da anni di ricerca scientifica." I risultati sono stati riportati in un articolo pubblicato su Fusione nucleare .

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

I risultati potrebbero aiutare la costruzione di tokamak compensando l'imprecisione che si verifica quando una macchina viene tradotta da un progetto teorico a un oggetto reale, o applicando campi magnetici 3D controllati con precisione per sopprimere le instabilità del plasma. "La realtà della costruzione di qualsiasi cosa è che non è perfetta, " Ha detto Logan. "Ha piccole irregolarità. I magneti che stiamo progettando utilizzando questa tecnica stellarator possono sia correggere alcune delle irregolarità che si verificano nei campi magnetici sia controllare le instabilità." Ciò aiuta il campo magnetico a stabilizzare il plasma in modo che non si verifichino scoppi di calore e particelle potenzialmente dannosi.

Logan e colleghi hanno anche scoperto che questi magneti potrebbero agire sul plasma anche se posti a una distanza relativamente grande, fino a diversi metri dalle pareti del tokamak. "Questa è una buona notizia perché più i magneti sono vicini al plasma, più difficile è progettarli per soddisfare le dure condizioni vicino ai reattori a fusione, " Disse Logan. "Più equipaggiamento possiamo posizionare a distanza dal tokamak, meglio è."

La tecnica si basa su FOCUS, un codice informatico creato principalmente dal fisico PPPL Caoxiang Zhu, uno scienziato di ottimizzazione stellarator, per progettare magneti complicati per strutture stellarator. "Quando stavo costruendo FOCUS per la prima volta come borsista post-dottorato presso PPPL, Nik Logan si è fermato alla mia presentazione del poster a una conferenza dell'American Physical Society, " Zhu ha detto. "Più tardi abbiamo avuto una conversazione e ci siamo resi conto che c'era l'opportunità di applicare il codice FOCUS ai progetti tokamak".

La collaborazione tra diversi sottocampi è entusiasmante. "Sono felice di vedere che il mio codice può essere esteso a una gamma più ampia di esperimenti, " ha osservato Zhu. "Penso che questa sia una bellissima connessione tra i mondi tokamak e stellarator."

Sebbene sia da tempo l'impianto di fusione numero due dietro i tokamak, gli stellarator stanno diventando più ampiamente utilizzati perché tendono a creare plasmi stabili. I Tokamak sono attualmente la prima scelta per la progettazione di un reattore a fusione, ma i loro plasmi possono sviluppare instabilità che potrebbero danneggiare i componenti interni di un reattore.

Attualmente, I ricercatori PPPL stanno utilizzando questa nuova tecnica per progettare e aggiornare i magneti per diversi tokamak in tutto il mondo. Il roster include COMPASS-U, un tokamak gestito dall'Accademia ceca delle scienze; e la struttura Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR).

"È un documento molto pratico che ha applicazioni pratiche, e sicuramente abbiamo alcuni acquirenti, " Ha detto Logan. "Penso che i risultati saranno utili per il futuro del design tokamak."