Il paradosso ha sorpreso gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti più di una dozzina di anni fa. Più calore irradiavano in un tokamak sferico, una struttura magnetica progettata per riprodurre l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle, meno aumentava la temperatura centrale.

Grande mistero

"Normalmente, maggiore è la potenza del raggio immessa, maggiore è la temperatura", ha affermato Stephen Jardin, capo del gruppo di teoria e scienze computazionali che ha eseguito i calcoli e autore principale di una proposta di spiegazione pubblicata in Physical Review Letters . "Quindi questo era un grande mistero:perché succede?"

Risolvere il mistero potrebbe contribuire agli sforzi in tutto il mondo per creare e controllare la fusione sulla Terra per produrre una fonte praticamente inesauribile di energia sicura, pulita e priva di emissioni di carbonio per generare elettricità combattendo il cambiamento climatico. La fusione combina elementi luminosi sotto forma di plasma per rilasciare enormi quantità di energia.

Attraverso recenti simulazioni al computer ad alta risoluzione, Jardin e colleghi hanno mostrato cosa può far sì che la temperatura rimanga piatta o addirittura diminuisca al centro del plasma che alimenta le reazioni di fusione, anche se viene trasmessa più potenza di riscaldamento. Aumentando la potenza aumenta anche la pressione in il plasma al punto in cui il plasma diventa instabile e il movimento del plasma appiattisce la temperatura, hanno scoperto.

"Queste simulazioni probabilmente spiegano un'osservazione sperimentale fatta oltre 12 anni fa", ha detto Jardin. "I risultati indicano che durante la progettazione e il funzionamento di esperimenti con tokamak sferico, è necessario prestare attenzione per garantire che la pressione del plasma non superi determinati valori critici in determinati punti della [struttura]", ha affermato. "E ora abbiamo un modo per quantificare questi valori attraverso simulazioni al computer."

I risultati evidenziano un ostacolo chiave che i ricercatori devono evitare quando cercano di riprodurre le reazioni di fusione nei tokamak sferici, dispositivi a forma più simile a mele senza torsolo rispetto ai tokamak convenzionali a forma di ciambella più ampiamente utilizzati. I dispositivi sferici producono campi magnetici convenienti e sono candidati a diventare modelli per una centrale elettrica a fusione pilota.

I ricercatori hanno simulato esperimenti passati sul National Spherical Torus Experiment (NSTX), l'impianto di fusione di punta del PPPL che da allora è stato aggiornato, e dove era stato osservato lo sconcertante comportamento del plasma. I risultati sono in gran parte paralleli a quelli trovati negli esperimenti NSTX.

"Attraverso NSTX abbiamo ottenuto i dati e attraverso un programma DOE chiamato SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] abbiamo sviluppato il codice del computer che abbiamo utilizzato", ha affermato Jardin.

Il fisico e coautore Nate Ferraro di PPPL ha dichiarato:"Il programma SciDAC è stato assolutamente determinante nello sviluppo del codice".

Meccanismo scoperto

Il meccanismo scoperto ha causato una maggiore pressione in determinati punti per rompere le superfici magnetiche annidate formate dai campi magnetici che avvolgono il tokamak per confinare il plasma. La rottura ha appiattito la temperatura degli elettroni all'interno del plasma e quindi ha impedito alla temperatura al centro del gas caldo e carico di salire a livelli rilevanti per la fusione.

"Quindi quello che ora pensiamo è che quando si aumenta la potenza del raggio iniettato si aumenta anche la pressione del plasma e si arriva a un certo punto in cui la pressione inizia a distruggere le superfici magnetiche vicino al centro del tokamak", ha detto Jardin, " ed è per questo che la temperatura smette di salire."

Questo meccanismo potrebbe essere generale nei tokamak sferici, ha affermato, e la possibile distruzione delle superfici deve essere presa in considerazione quando si pianificano futuri tokamak sferici.

Jardin prevede di continuare a indagare sul processo per comprendere meglio la distruzione delle superfici magnetiche e perché appare più probabile nei tokamak sferici rispetto a quelli convenzionali. È stato anche invitato a presentare le sue scoperte alla riunione annuale dell'American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) in ottobre, dove potrebbero essere reclutati scienziati all'inizio della carriera per affrontare la questione e approfondire i dettagli del meccanismo proposto. + Esplora ulteriormente

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