Il fisico Min-Gu Yoo con le diapositive del suo articolo sullo sfondo. Credito:Elle Starkman/PPPL Office of Communications; collage di Kiran Sudarsanan
I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno proposto la fonte dell'improvviso e sconcertante collasso del calore che precede le interruzioni che possono danneggiare gli impianti di fusione tokamak a forma di ciambella. Affrontare la fonte potrebbe superare una delle sfide più critiche che i futuri impianti di fusione dovranno affrontare e avvicinare alla realtà la produzione sulla Terra dell'energia di fusione che guida il sole e le stelle.
I ricercatori hanno fatto risalire il collasso al disordine 3D dei forti campi magnetici che imbottigliano il gas plasma caldo e carico che alimenta le reazioni. "Abbiamo proposto un nuovo modo per comprendere le linee di campo [disordinate], che di solito erano ignorate o mal modellate negli studi precedenti", ha affermato Min-Gu Yoo, ricercatore post-dottorato presso PPPL e autore principale di un Fisica di plasma carta scelta come redattore insieme a una figura posta sulla copertina del numero di luglio. Da allora Yoo è diventato uno scienziato del personale presso la General Atomics di San Diego.
I forti campi magnetici sostituiscono nelle strutture di fusione l'immensa gravità che tiene in atto le reazioni di fusione nei corpi celesti. Ma quando sono disturbate dall'instabilità del plasma negli esperimenti di laboratorio, le linee di campo consentono al calore del plasma super caldo di sfuggire rapidamente al confinamento. Tale calore di un milione di gradi schiaccia le particelle di plasma insieme per rilasciare energia di fusione e può colpire e danneggiare le pareti dell'impianto di fusione quando viene rilasciato dal confinamento.
"Nel caso di grave interruzione, le linee di campo diventano totalmente [disordinate] come spaghetti e si collegano velocemente al muro con lunghezze molto diverse", ha affermato il principale fisico di ricerca Weixing Wang, consulente PPPL di Yoo e coautore del documento. "Questo porta un'enorme energia termica del plasma contro il muro."
La fusione combina elementi luminosi sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Il plasma contiene elettroni liberi e nuclei atomici, o ioni, e comprende il 99% dell'universo visibile. Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di catturare e controllare il processo di fusione sulla Terra per creare una fonte di energia pulita, priva di emissioni di carbonio e praticamente inesauribile per generare elettricità.
Colline e valli
Ciò che non era noto in precedenza era la forma 3D, o topologia, delle linee di campo disordinate causate dall'instabilità turbolenta. La topologia forma minuscole colline e valli, spiega Yoo, lasciando alcune particelle intrappolate nelle valli e incapaci di sfuggire al confino mentre altre rotolano giù per le colline e colpiscono le pareti della struttura
"L'esistenza di queste colline è responsabile del rapido collasso della temperatura, il cosiddetto raffreddamento termico, poiché consentono a più particelle di fuoriuscire verso il muro del tokamak", ha detto Yoo. "Quello che abbiamo mostrato nel documento è come disegnare una buona mappa per comprendere la topologia delle linee di campo. Senza le colline magnetiche, la maggior parte degli elettroni sarebbe rimasta intrappolata e non avrebbe potuto produrre l'estinzione termica osservata negli esperimenti".
Gli scienziati di PPPL hanno simulato la topologia dell'estinzione termica come una struttura 3D complessa piuttosto che una semplice struttura 1D come era stata raffigurata. In tal modo, i ricercatori hanno evitato le semplificazioni eccessive comuni che potrebbero fuorviare la fisica.
Ciò che ha reso difficile la comprensione della topologia è stata la complessa interazione tra i campi elettrici e magnetici all'interno della struttura, ha affermato Yoo. I ricercatori del PPPL hanno svelato l'interazione utilizzando il codice GTS del Laboratorio, che simula l'effetto dell'instabilità turbolenta sul movimento delle particelle. Il codice ha rivelato che il campo elettrico prodotto nelle strutture agisce per calciare le particelle tra linee di campo magnetico stocastico simili a spaghetti e quindi facilita il movimento delle particelle intrappolate lungo le linee di campo che danno origine all'estinzione termica.
"Questa ricerca fornisce nuove intuizioni fisiche su come il plasma perde la sua energia verso il muro quando ci sono linee di campo magnetico aperte", ha detto Yoo. "La nuova comprensione sarebbe utile per trovare modi innovativi per mitigare o evitare tempeste termiche e interruzioni del plasma in futuro". + Esplora ulteriormente
