Stellaratori, dispositivi magnetici tortuosi che mirano a sfruttare sulla Terra l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle, hanno a lungo giocato in secondo piano rispetto a strutture a forma di ciambella più ampiamente utilizzate note come tokamak. I complessi magneti stellarator attorcigliati sono stati difficili da progettare e in precedenza hanno consentito una maggiore dispersione del calore super alto dalle reazioni di fusione.

Ora gli scienziati del Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), lavorando in collaborazione con ricercatori che includono il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), hanno dimostrato che il dispositivo Wendelstein 7-X (W7-X) a Greifswald, Germania, lo stellarator più grande e avanzato al mondo, è in grado di confinare il calore che raggiunge temperature doppie rispetto al nucleo del sole.

Indicatore chiave

Uno strumento diagnostico chiamato XICS, principalmente progettato, costruito e gestito dal fisico PPPL Novimir Pablant in collaborazione con il fisico IPP Andreas Langenberg, è un indicatore chiave di una forte riduzione di un tipo di perdita di calore chiamato "trasporto neoclassico" che è stato storicamente maggiore negli stellarator classici che nei tokamak. A causare il trasporto problematico sono le frequenti collisioni che fanno uscire le particelle riscaldate dalle loro orbite mentre ruotano attorno alle linee del campo magnetico che le confinano. Contribuiscono al trasporto le derive nelle orbite delle particelle.

Un recente rapporto sui risultati di W7-X in Natura la rivista conferma il successo degli sforzi dei designer per modellare i magneti stellarator finemente intrecciati per ridurre il trasporto neoclassico. Il primo autore dell'articolo è stato il fisico Craig Beidler della IPP Theory Division. "È una notizia davvero entusiasmante per la fusione che questo progetto abbia avuto successo, " disse Pablant, un coautore insieme a Langenberg della carta. "Dimostra chiaramente che questo tipo di ottimizzazione può essere fatto."

Davide Cancelli, capo del Dipartimento Progetti Avanzati del PPPL che sovrintende al lavoro di stellarator del laboratorio, era anche molto entusiasta. "È stato molto emozionante per noi, al PPPL e a tutte le altre istituzioni collaboratrici degli Stati Uniti, per far parte di questo esperimento davvero entusiasmante, " Gates ha detto. "Il lavoro di Novi è stato proprio al centro dello sforzo di questa straordinaria squadra sperimentale. Sono molto grato ai nostri colleghi tedeschi per aver permesso così gentilmente la nostra partecipazione".

Potenza senza carbonio

La fusione che gli scienziati cercano di produrre combina elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, che costituisce il 99% dell'universo visibile, per generare enormi quantità di energia. La produzione di una fusione controllata sulla Terra creerebbe una fornitura virtualmente inesauribile di risorse sicure, pulire, e una fonte di energia priva di carbonio per generare elettricità per l'umanità e contribuire in modo determinante alla transizione dai combustibili fossili.

Stellaratori, costruito per la prima volta negli anni '50 sotto il fondatore di PPPL Lyman Spitzer, può operare in uno stato stazionario con poco rischio delle interruzioni del plasma che i tokamak devono affrontare. Però, la loro complessità e la storia di confinamento termico relativamente scarso li hanno trattenuti. Uno degli obiettivi principali del design ottimizzato di W7-X, che ha prodotto il suo primo plasma nel 2015, è stato quello di dimostrare l'adeguatezza di uno stellarator ottimizzato come eventuale centrale elettrica a fusione.

I risultati ottenuti dallo XICS dimostrano temperature degli ioni caldi che non sarebbero state raggiunte senza una forte riduzione del trasporto neoclassico. Queste misurazioni sono state effettuate anche dalla diagnostica CXRS costruita e gestita da IPP, che si pensava fossero un po' più accurati ma non potevano essere realizzati in tutte le condizioni. I profili di temperatura finali nel Natura report sono stati presi da CXRS e supportati da misurazioni con XICS in plasmi simili.

'Estremamente prezioso'

"Senza lo XICS probabilmente non avremmo scoperto questo [buon confinamento] regime, " ha detto Robert Wolf, capo della divisione riscaldamento e funzionamento W7-X e coautore del documento. "Avevamo bisogno di una misurazione della temperatura ionica prontamente disponibile e questo è stato estremamente prezioso".

I ricercatori hanno condotto un esperimento mentale per verificare il ruolo svolto dall'ottimizzazione nei risultati del confinamento. L'esperimento ha scoperto che in uno stellarator non ottimizzato un grande trasporto neoclassico avrebbe reso impossibili le alte temperature registrate su W7-X per la data potenza di riscaldamento. "Ciò ha dimostrato che la forma ottimizzata di W7-X riduceva il trasporto neoclassico ed era necessaria per le prestazioni viste negli esperimenti di W7-X, " Pablant ha detto. "Era un modo per mostrare quanto fosse importante l'ottimizzazione".

I risultati segnano un passo avanti per consentire agli stellarator basati sul design W7-X di portare a un pratico reattore a fusione, Ha aggiunto. "Ma ridurre il trasporto neoclassico non è l'unica cosa che devi fare. Ci sono un sacco di altri obiettivi che devono essere mostrati, compreso il funzionamento costante e la riduzione del trasporto turbolento." La produzione di trasporto turbolento sono increspature e vortici che attraversano il plasma come seconda fonte principale di perdita di calore.

Il W7-X riaprirà nel 2022 dopo un aggiornamento di tre anni per installare un sistema di raffreddamento ad acqua che allungherà gli esperimenti di fusione e un deviatore migliorato che esaurirà il calore ad alte prestazioni. Gli aggiornamenti consentiranno il prossimo passo nell'indagine da parte dei ricercatori di W7-X sull'idoneità degli stellarator ottimizzati a diventare progetti per centrali elettriche.