Sfruttare l'energia del plasma richiede una comprensione precisa del suo comportamento durante la fusione per mantenerlo caldo, denso e stabile. Un nuovo modello teorico sul bordo del plasma, che può diventare instabile e rigonfiarsi, avvicina alla realtà la prospettiva dell'energia da fusione commerciale.
"Il modello perfeziona il pensiero sulla stabilizzazione del bordo del plasma per diverse forme di tokamak", ha affermato Jason Parisi, fisico ricercatore del PPPL. Parisi è l'autore principale di tre articoli che descrivono il modello pubblicati sulle riviste Nuclear Fusion e Fisica del plasma . La carta principale si concentra su una parte del plasma chiamata piedistallo, che si trova sul bordo. Il piedistallo è soggetto a instabilità perché la temperatura e la pressione del plasma spesso scendono bruscamente in quest'area.
Il nuovo modello è degno di nota perché è il primo a corrispondere ai comportamenti del piedistallo osservati nel National Spherical Torus Experiment (NSTX) del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Mentre i tokamak convenzionali hanno la forma di ciambelle, NSTX è uno dei tanti tokamak che hanno la forma di una mela senza torsolo. La differenza nelle proporzioni del tokamak influisce sul plasma e, come indica il modello, sul piedistallo.
Parisi, insieme a un team di scienziati, ha esplorato i limiti dei piedistalli e ha studiato quanta pressione si potrebbe applicare al plasma all'interno di un reattore a fusione prima che si verificassero le instabilità. In particolare, hanno studiato le interruzioni nel piedistallo chiamate instabilità del palloncino:rigonfiamenti di plasma che sporgono, come l'estremità di un lungo palloncino quando viene schiacciato.
"Il modello è un'estensione di un modello che le persone hanno utilizzato sul campo forse per 10 anni, ma abbiamo reso il calcolo della stabilità del palloncino molto più sofisticato", ha affermato Parisi.
Per sviluppare il loro modello, gli scienziati hanno esaminato la relazione tra le misurazioni del piedistallo – altezza e larghezza – e le instabilità del palloncino. Parisi ha detto che il nuovo modello si è adattato al primo tentativo. "Sono rimasto sorpreso da quanto funziona bene. Abbiamo provato a scomporre il modello per assicurarci che fosse accurato, ma si adatta molto bene ai dati", ha affermato.
Il modello esistente, noto come EPED, era noto per funzionare con i tokamak a forma di ciambella ma non con la varietà sferica. "Abbiamo deciso di provarlo e, semplicemente modificando una parte dell'EPED, ora funziona davvero bene", ha affermato Parisi. I risultati forniscono inoltre ai ricercatori un quadro più chiaro del contrasto tra i due modelli di tokamak.
"C'è certamente una grande differenza tra il confine di stabilità per la forma a mela e il tokamak a forma standard, e il nostro modello ora può in qualche modo spiegare perché esiste quella differenza", ha detto. I risultati potrebbero aiutare a ridurre al minimo le interruzioni del plasma.
I Tokamak sono progettati per intensificare la pressione e la temperatura del plasma, ma le instabilità possono ostacolare questi sforzi. Se il plasma fuoriesce e tocca le pareti del reattore, ad esempio, può eroderle nel tempo.
Le instabilità possono anche irradiare energia lontano dal plasma. Sapere quanto può essere ripido un piedistallo prima che si verifichino instabilità potrebbe aiutare i ricercatori a trovare modi per ottimizzare i plasmi per le reazioni di fusione in base alle proporzioni del tokamak.
Anche se ha aggiunto che non è ancora chiaro quale forma sia più vantaggiosa, il modello suggerisce altri esperimenti che cercherebbero di sfruttare gli aspetti positivi della forma della mela e vedere quanti benefici potrebbero fornire.
Fondamentalmente, il nuovo modello migliora la nostra comprensione dei piedistalli e avvicina gli scienziati al raggiungimento dell'obiettivo più grande di progettare un reattore a fusione che generi più energia di quanta ne consumi.
Il secondo articolo di Parisi della serie esplora il modo in cui il modello EPED si allinea con l'altezza e la larghezza del piedistallo per diverse forme di plasma.
"La pressione di fusione del nucleo, e quindi la potenza, è molto sensibile all'altezza del piedistallo. E quindi, se dovessimo esplorare forme diverse per i futuri dispositivi di fusione, vogliamo assolutamente assicurarci che le nostre previsioni funzionino", ha affermato. .
Parisi ha iniziato con vecchi dati provenienti da scariche sperimentali in NSTX e poi ha modificato la forma del bordo del plasma. Ha scoperto che cambiare la forma aveva un effetto molto grande sul rapporto larghezza-altezza del piedistallo. Inoltre, Parisi ha scoperto che alcune forme potrebbero portare a diversi possibili piedistalli, in particolare nei tokamak a forma di NSTX e del suo discendente, attualmente in fase di aggiornamento, NSTX-U. Ciò darebbe a chi esegue un tiro a fusione la scelta tra, ad esempio, un piedistallo ripido o poco profondo.
"Quando le persone hanno ideato questi modelli di piedistallo, hanno cercato di prevederne la larghezza e l'altezza perché possono cambiare di molto la quantità di energia di fusione generata, e noi vogliamo essere accurati", ha detto Parisi. "Ma per come sono costruiti i modelli al momento, tengono conto solo della stabilità del plasma."
Il riscaldamento e il rifornimento sono altri fattori importanti che vengono esplorati nel terzo articolo di Parisi. Nello specifico, Parisi ha esaminato alcuni piedistalli e ha determinato la quantità di riscaldamento e rifornimento necessaria per ottenerli data una particolare forma di plasma. Ad esempio, un piedistallo ripido richiede in genere molto più riscaldamento rispetto a un piedistallo poco profondo.
L'articolo considera anche il modo in cui un flusso tagliato, che si verifica quando particelle adiacenti si muovono a velocità di flusso diverse, può influire sull'altezza e sulla larghezza del piedistallo. Esperimenti precedenti in NSTX hanno scoperto che quando parte dell'interno del recipiente era rivestita di litio e il taglio del flusso era forte, il piedistallo diventava da tre a quattro volte più largo rispetto a quando non veniva aggiunto litio.
"Sembra che sia in grado di permettere al piedistallo di continuare a crescere", ha detto Parisi. "Se potessi avere un plasma in un tokamak che fosse tutto un piedistallo, e se le pendenze fossero davvero ripide, otterresti una pressione centrale davvero elevata e una potenza di fusione davvero elevata."
Comprendere le variabili coinvolte nel raggiungimento di un plasma stabile e ad alta potenza avvicina i ricercatori al loro obiettivo finale di commercializzare l'energia da fusione.
"Questi tre articoli sono davvero importanti per comprendere la fisica dei tokamak sferici e come la pressione del plasma si organizza in questa struttura dove aumenta bruscamente ai bordi e mantiene un'elevata pressione nel nucleo. Se non comprendiamo questo processo, non possiamo Non possiamo progettare con sicurezza i dispositivi futuri e questo lavoro è molto importante per raggiungere tale fiducia", ha affermato Jack Berkery, vicedirettore della ricerca per NSTX-U e coautore degli articoli.
