Da sinistra:lo studente laureato Ricardo Shousha, un'immagine di brillamenti solari e grafici che mostrano i dettagli delle scariche di plasma. Credito:Kiran Sudarsanan
Gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno perfezionato l'uso dei campi magnetici per migliorare le prestazioni degli impianti di fusione a forma di ciambella noti come tokamak. La tecnica migliorata protegge le parti interne dai danni causati da instabilità chiamate "modalità localizzate ai bordi" (ELM) e consente ai tokamak di funzionare più a lungo senza pause.
"Il nostro risultato principale è che abbiamo dimostrato che la nostra tecnica può sopprimere gli ELM massimizzando le prestazioni del plasma", ha affermato Ricardo Shousha, uno studente laureato nel gruppo di controllo del plasma presso il dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Università di Princeton, affiliato a PPPL. Shousha è l'autore principale di un articolo che riporta i risultati in Fisica dei plasmi .
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.
I ricercatori hanno utilizzato la struttura Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) per studiare le condizioni in cui il centro del plasma diventa particolarmente caldo e denso. Questo stato desiderabile, noto come modalità H, può verificarsi quando c'è una netta separazione tra il centro e il bordo più freddo; gli scienziati vogliono che il plasma sia in modalità H perché produce reazioni di fusione più efficienti. Ma poiché la temperatura e la densità delle due regioni sono così drasticamente diverse, lungo il confine si formano instabilità ELM, proprio come possono formarsi temporali dove si incontrano fronti caldo e freddo. Queste instabilità possono causare scariche simili a brillamenti solari, giganteschi rutti di plasma che eruttano dalla superficie del sole.
Quando questi eventi si verificano nei tokamak, possono danneggiare le pareti interne e i componenti, richiedendo lo spegnimento della macchina per le riparazioni. Il rischio è ancora più alto per ITER, il tokamak multinazionale in costruzione a Cadarache, in Francia, per dimostrare la fattibilità della fusione come fonte di energia su larga scala e priva di emissioni di carbonio, poiché quel dispositivo creerà plasma che ha molto più calore e potenza di gli attuali plasmi tokamak lo fanno.
Quindi i fisici hanno un dilemma. Vogliono che il plasma sia in modalità H, ma la modalità H porta a instabilità che potrebbero danneggiare il tokamak. Shousha e gli altri ricercatori si sono concentrati sull'uso dei campi magnetici per reprimere le instabilità, un metodo scoperto nel 2003. I campi applicati riducono le instabilità consentendo alle particelle di fluire attraverso il confine. Ma un effetto collaterale è che il plasma si raffredda e le reazioni di fusione diventano meno efficienti.
Il team di ricerca ha affrontato questo problema combinando i magneti con un sistema di feedback. La combinazione determina il campo magnetico più debole che può sopprimere gli ELM riducendo al minimo quanto i campi degradano le condizioni della modalità H. "Questa è la parte nuova della nostra ricerca", ha detto Shousha.
I risultati sono venuti dalla dedizione degli studenti laureati unita a una rete internazionale di ricercatori e istituzioni. "Far parte di PPPL e dell'Università di Princeton è una grande opportunità per gli studenti laureati", ha affermato Egemen Kolemen, professore associato nel dipartimento di ingegneria meccanica e aerospaziale dell'Università di Princeton, che ha un appuntamento congiunto con PPPL ed è coautore dell'articolo. "Possono eseguire esperimenti in qualsiasi parte del mondo - Stati Uniti, Cina, Germania, Corea del Sud - e hanno la possibilità di controllare queste potenti macchine. E fanno davvero bene. Finché loro hanno la volontà, noi abbiamo la strada ."
Gli scienziati hanno in programma di perfezionare il loro sistema in modo che possa rilevare i segnali che annunciano l'arrivo degli ELM in modo che i magneti possano iniziare a prevenirli prima che si manifestino. "L'idea è che se siamo in grado di rilevare rapidamente questi segnali precursori, possiamo agire prima che appaia l'imminente ELM e potenzialmente prevenirlo", ha detto Shousha. + Esplora ulteriormente
