Il calore è trasportato dalle onde elettromagnetiche, che rallentano contemporaneamente il fascio di particelle ad alta velocità (linea rossa) e riscaldano le particelle di plasma (linea verde). Si osserva una distorsione della distribuzione della velocità a causa dell'accelerazione delle particelle a causa delle onde elettromagnetiche. Credito:Istituto nazionale per la scienza della fusione
Nella generazione di energia da fusione, è essenziale che le particelle ad alta energia generate da una reazione di fusione nel plasma caldo lo riscaldino per sostenere ulteriori reazioni di fusione. La chiave per questo autoriscaldamento del plasma è se può essere riscaldato dalle onde create dalle particelle ad alta energia.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Katsumi Ida, dagli assistenti professori Tatsuya Kobayashi e Mikiro Yoshinuma del National Institute for Fusion Science e dal professor Yuto Kato della Tohoku University, ha misurato la variazione temporale del profilo di velocità del plasma nel Large Helical Device (LHD) a il National Institute for Fusion Science e ha scoperto che le onde elettromagnetiche prodotte da particelle ad alta energia trasportano il calore attraverso un processo chiamato smorzamento di Landau. Questa è la prima osservazione al mondo di questo processo. Un documento che riassume i risultati di questa ricerca è stato pubblicato in Communications Physics il 28 settembre.
Finora non esisteva un metodo per misurare direttamente il processo di riscaldamento del plasma causato dalle onde elettromagnetiche generate all'interno del plasma, quindi non è noto se questo processo esista effettivamente. Per catturarlo, il professor Katsumi Ida e il suo gruppo di ricerca hanno lavorato allo sviluppo di un nuovo sistema di misurazione.
Per misurare direttamente il processo di riscaldamento, è necessario determinare la variazione temporale della distribuzione di velocità, che indica quali particelle di velocità sono presenti e in quale proporzione. A tal fine, hanno iniettato atomi ad alta velocità nel plasma e utilizzato un metodo per misurare la distribuzione della velocità delle particelle di plasma ad alta velocità dalla distribuzione della lunghezza d'onda della luce emessa dal plasma (spettroscopia di scambio di carica ad alta velocità). Il professor Ida e i suoi colleghi hanno affrontato la sfida della misurazione ad altissima velocità, che era stata considerata difficile, e sono riusciti a misurare la variazione temporale della distribuzione della velocità delle particelle di plasma a una velocità ultraelevata di 10 kHz (10.000 volte al secondo).
Nella LHD, sono in corso esperimenti per indagare sull'autoriscaldamento del plasma, utilizzando un raggio di particelle ad alta velocità, che simula le particelle ad alta energia dalle reazioni di fusione nucleare. In questo esperimento per simulare l'autoriscaldamento, è stato utilizzato un sistema di misurazione di nuova concezione per misurare in dettaglio la variazione temporale della distribuzione della velocità delle particelle di plasma. Di conseguenza, è stato scoperto per la prima volta al mondo che il plasma si riscalda a causa del rallentamento del fascio di particelle ad alta velocità e della distorsione del profilo di velocità delle particelle di plasma causata dalla generazione di onde elettromagnetiche all'interno il plasma.
La ragione di questa distorsione del profilo di velocità è stata trovata che l'energia del fascio di particelle ad alta velocità è stata trasferita all'onda elettromagnetica attraverso un processo chiamato smorzamento di Landau e l'energia dell'onda elettromagnetica è stata trasferita alle particelle di plasma. In altre parole hanno osservato che le onde elettromagnetiche trasportavano l'energia del fascio di particelle ad alta velocità al plasma e lo riscaldavano.
La professoressa Ida ha affermato:"Per l'autoriscaldamento del plasma nella generazione di energia da fusione, non è sufficiente che le particelle ad alta energia entrino in collisione con quelle del plasma e le riscaldino, quindi è necessario anche il riscaldamento mediante altri processi. Questo risultato, che mostra che le particelle elettromagnetiche le onde generate all'interno del plasma possono riscaldarlo, fornisce importanti conoscenze per la ricerca sulla fusione. Inoltre, contribuirà allo studio della magnetosfera terrestre, dove l'accelerazione delle particelle avviene tramite un processo simile, e promuoverà la futura ricerca interdisciplinare". + Esplora ulteriormente
