Il fisico PPPL Andreas Kleiner davanti a grafici che illustrano i fenomeni di resistività nel plasma. Credito:Kiran Sudarsanan / PPPL Office of Communication
I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno scoperto che l'aggiornamento di un modello matematico per includere una proprietà fisica nota come resistività potrebbe portare a una migliore progettazione degli impianti di fusione a forma di ciambella noti come tokamak.
"La resistività è la proprietà di qualsiasi sostanza che inibisce il flusso di elettricità", ha affermato il fisico PPPL Nathaniel Ferraro, uno dei ricercatori che hanno collaborato. "È un po' come la viscosità di un fluido, che inibisce le cose che si muovono attraverso di esso. Ad esempio, una pietra si muoverà più lentamente attraverso la melassa rispetto all'acqua, e più lentamente attraverso l'acqua che attraverso l'aria."
Gli scienziati hanno scoperto un nuovo modo in cui la resistività può causare instabilità nel bordo del plasma, dove le temperature e le pressioni aumentano bruscamente. Incorporando la resistività in modelli che predicono il comportamento del plasma, una zuppa di elettroni e nuclei atomici che costituisce il 99% dell'universo visibile, gli scienziati possono progettare sistemi per futuri impianti di fusione che rendano il plasma più stabile.
"Vogliamo utilizzare questa conoscenza per capire come sviluppare un modello che ci permetta di collegare determinate caratteristiche del plasma e prevedere se il plasma sarà stabile prima di fare effettivamente un esperimento", ha affermato Andreas Kleiner, fisico PPPL che è stato il autore principale di un articolo che riporta i risultati della fusione nucleare . "Fondamentalmente, in questa ricerca, abbiamo visto che la resistività è importante e che i nostri modelli dovrebbero includerla", ha affermato.
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 - e genera enormi quantità di energia. Gli scienziati cercano di sfruttare la fusione sulla Terra per una fornitura praticamente inesauribile di energia per generare elettricità.
Gli scienziati vogliono che il plasma sia stabile perché le instabilità possono portare a eruzioni plasmatiche note come modalità edge-localizzate (ELM) che possono danneggiare i componenti interni del tokamak nel tempo, richiedendo la sostituzione di tali componenti più frequentemente. I futuri reattori a fusione dovranno funzionare senza fermarsi per le riparazioni, tuttavia, per mesi.
"Dobbiamo avere la certezza che il plasma in queste strutture future sarà stabile senza dover costruire prototipi su vasta scala, il che è proibitivo e richiede tempo", ha affermato Ferraro. "Nel caso delle modalità edge-localizzate e di alcuni altri fenomeni, la mancata stabilizzazione del plasma potrebbe causare danni o ridurre la durata dei componenti in queste strutture, quindi è molto importante farlo bene."
I fisici utilizzano un modello computerizzato noto come EPED per prevedere il comportamento del plasma nei tokamak convenzionali, ma le previsioni prodotte dal codice per una varietà di macchine al plasma note come tokamak sferici non sono sempre accurate. I fisici stanno studiando i tokamak sferici, strutture compatte come il National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) presso PPPL che assomigliano a mele senza torsolo, come possibile progetto per un impianto pilota di fusione.
Utilizzando i computer ad alta potenza del National Energy Research Scientific Computing Center, una struttura utente del DOE Office of Science presso il Lawrence Berkeley National Laboratory a Berkeley, in California, Kleiner e il team hanno provato ad aggiungere resistività a un modello al plasma e hanno scoperto che le previsioni iniziavano a corrispondere osservazioni.
"Andreas ha esaminato i dati di diverse scariche di plasma precedenti e ha scoperto che gli effetti resistivi erano molto importanti", ha affermato Rajesh Maingi, capo del dipartimento di scienze sperimentali di Tokamak della PPPL. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."
Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.
"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.
This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.
Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Esplora ulteriormente
