Qual è la connessione tra il boro, un elemento in un comune detergente per la casa, e i tokamak, impianti di fusione a forma di anello che riscaldano il combustibile a temperature di milioni di gradi? Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno condotto una ricerca che mostra che un contagocce di polvere sviluppato da PPPL può far cadere con successo polvere di boro nel plasma ad alta temperatura all'interno di tokamak che hanno parti fatte di un materiale resistente al calore noto come tungsteno. Gli scienziati vogliono confermare che possono utilizzare questo processo per applicare il boro alle parti di tungsteno perché le pareti di tungsteno nude possono danneggiare le prestazioni del plasma se il plasma danneggia il tungsteno.

A causa del suo alto punto di fusione, il tungsteno è sempre più utilizzato nei tokamak per aiutare i componenti a resistere al calore intenso del processo di fusione. Il boro protegge parzialmente il tungsteno dal plasma e impedisce al tungsteno di fuoriuscire nel plasma; assorbe anche tutti gli elementi vaganti come l'ossigeno che potrebbero essere nel plasma da altre fonti. Queste impurità indesiderate potrebbero raffreddare il plasma e spegnere le reazioni di fusione.

"Abbiamo bisogno di un modo per depositare rivestimenti di boro senza spegnere il campo magnetico dei tokamak, ed è quello che ci consente di fare il contagocce di polvere", ha affermato Grant Bodner, ricercatore post-dottorato presso PPPL che è stato l'autore principale del documento di ricerca che riporta il provoca Fusione nucleare . La ricerca è stata eseguita utilizzando il W Environment in Steady-State Tokamak (WEST), gestito dalla Commissione francese per l'energia atomica (CEA). "WEST è uno dei pochi ambienti completamente in tungsteno che può aiutarci a testare questa tecnologia a impulsi lunghi", ha affermato Bodner.

Un altro motivo per cui i fisici hanno eseguito i loro esperimenti utilizzando WEST è che i suoi magneti sono fatti di materiale superconduttore che sarà presente nei magneti all'interno dei futuri dispositivi di fusione. Questo materiale conduce elettricità con poca o nessuna resistenza e produce poco calore in eccesso in modo che i magneti possano funzionare senza fermarsi per lunghi periodi di tempo, come dovranno fare i futuri reattori a fusione. I magneti creano le forze che trattengono il plasma in modo che possa subire la fusione.

La fusione, il potere che guida il sole e le stelle, 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. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura praticamente inesauribile di energia per generare elettricità.

Gli scienziati hanno bisogno di un modo per ricostituire i rivestimenti di boro mentre le macchine sono in funzione perché i futuri impianti di fusione non saranno in grado di spegnersi spesso per il nuovo rivestimento. "Lasciare il boro in un tokamak mentre è in funzione è come pulire il tuo appartamento mentre ci fai tutte le altre cose che di solito ci fai", ha detto lo scienziato del CEA Alberto Gallo, che ha contribuito alla ricerca. "È molto utile, significa che non devi dedicare più tempo alle tue solite attività per fare le pulizie", ha detto.

Il dispositivo contagocce è montato sulla parte superiore del tokamak e utilizza precisi attuatori per spostare il materiale in polvere dai loro serbatoi alla camera a vuoto del tokamak. Questo meccanismo consente ai ricercatori di impostare con precisione la velocità e la durata delle gocce di polvere, che in altri impianti di fusione possono includere altri materiali che aumentano le prestazioni come il litio. "Grazie a questa flessibilità, il contagocce ha il potenziale per essere davvero utile in futuro", ha affermato Bodner.

I ricercatori sono stati sorpresi di scoprire che il boro depositato dal contagocce non si limitava a condizionare le superfici interne di tungsteno. "Abbiamo visto che quando abbiamo lasciato cadere la polvere, il confinamento del plasma è aumentato, il che significa che trattiene più calore, il che aiuta il processo di fusione", ha detto Bodner.

L'aumento del confinamento è stato particolarmente utile perché si è verificato senza che il plasma entrasse in uno stato noto come modalità H (modalità di confinamento elevato), in cui il confinamento migliora ma è più probabile che il plasma erutta con quelle che sono note come modalità localizzate ai bordi, o ELM. Questi ELM spostano il calore fuori dal plasma, riducendo l'efficienza delle reazioni di fusione e talvolta danneggiando i componenti interni. "Se potessimo utilizzare il contagocce per ottenere il buon confinamento della modalità H senza entrare effettivamente in modalità H e rischiare gli ELM, sarebbe fantastico per i reattori a fusione", ha affermato Bodner.

In futuro, i ricercatori vogliono testare utilizzando il contagocce solo quando necessario per mantenere buone prestazioni del plasma. "L'aggiunta di eventuali impurità extra, persino il boro, può ridurre la quantità di potenza di fusione che si ottiene perché il plasma diventa meno puro", ha affermato Bodner. "Pertanto, dobbiamo cercare di utilizzare la minima quantità di boro che può ancora produrre gli effetti che desideriamo."

I prossimi esperimenti si concentreranno sulla quantità di boro che ricopre effettivamente le superfici di tungsteno. "Vogliamo misurare questi importi in modo da poter davvero quantificare ciò che stiamo facendo ed estendere questi risultati in futuro", ha affermato Bodner. + Esplora ulteriormente

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