Per creare calore dalle reazioni di fusione è necessario manipolare attentamente le proprietà del plasma, il quarto stato della materia caricato elettricamente che costituisce il 99% dell'universo visibile.
Ora, gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno finito di costruire un nuovo strumento di misurazione del plasma, o strumento diagnostico, che potrebbe aiutare questo sforzo, aiutando ad aumentare il calore delle reazioni di fusione in strutture conosciute come tokamak e potenzialmente migliorare la produzione di energia delle future centrali elettriche a fusione.
Conosciuto come ALPACA, lo strumento diagnostico osserva la luce emessa da un alone di atomi neutri che circonda il plasma all'interno del DIII-D, un dispositivo a forma di ciambella noto come tokamak gestito per il DOE dalla General Atomics a San Diego.
Studiando questa luce, gli scienziati possono raccogliere informazioni sulla densità degli atomi neutri che potrebbero aiutarli a mantenere caldo il plasma e ad aumentare la quantità di energia generata dalle reazioni di fusione. Gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di sfruttare sulla Terra le reazioni di fusione che permettono alle stelle di generare elettricità senza produrre gas serra o scorie radioattive a vita lunga.
ALPACA aiuta gli scienziati a studiare un processo noto come rifornimento. Durante questo processo, nubi di atomi neutri di varia densità attorno al plasma si dividono in elettroni e ioni ed entrano nel plasma.
"Siamo interessati al rifornimento perché la densità atomica neutra può aumentare la densità delle particelle del plasma, e la densità del plasma influenza il numero di reazioni di fusione", ha affermato Laszlo Horvath, un fisico del PPPL di stanza al DIII-D che ha contribuito a coordinare l'assemblaggio e l'installazione di ALPACA.
"Se riusciamo ad aumentare la densità del plasma, allora possiamo avere più reazioni di fusione, che generano più energia di fusione. Questo è esattamente ciò che vogliamo avere nelle future centrali elettriche a fusione."
Gli atomi di idrogeno coinvolti in questo tipo di rifornimento provengono da tre fonti. Il primo sono gli sbuffi originali di gas idrogeno che gli scienziati hanno utilizzato per avviare il plasma. Il secondo è la combinazione di elettroni e nuclei nelle regioni più fredde della camera per formare atomi interi. Il terzo è la fuoriuscita di atomi di idrogeno dal materiale che costituisce le superfici della camera interna, dove talvolta rimangono intrappolati durante le operazioni del tokamak.
Simile a una fotocamera stenopeica, l'ALPACA lunga quasi mezzo metro raccoglie la luce del plasma che ha una proprietà specifica nota come lunghezza d'onda Lyman-alfa. I ricercatori possono calcolare la densità degli atomi neutri misurando la luminosità della luce.
In precedenza, gli scienziati avevano dedotto la densità dalle misurazioni effettuate con altri strumenti, ma i dati erano difficili da interpretare. ALPACA è uno dei primi strumenti diagnostici progettati specificamente per raccogliere la luce del plasma alla frequenza Lyman-alfa, quindi i suoi dati sono molto più chiari.
Gli scienziati vogliono aumentare la loro comprensione del rifornimento in modo da poterlo controllare. Con il controllo sul rifornimento, gli scienziati potrebbero rendere più efficienti le reazioni di fusione nei tokamak e aumentare la quantità di calore che producono.
L’aumento del calore è importante perché più caldo è il plasma, maggiore è la quantità di elettricità che una centrale elettrica basata sul tokamak potrebbe generare. Questo progetto è un altro esempio dell'esperienza di livello mondiale di PPPL nell'ingegneria e nella diagnostica del plasma.
ALPACA è in realtà uno di una coppia di strumenti diagnostici. Il suo gemello si chiama "LLAMA", che sta per "apparato di misurazione Lyman-alfa". Le due diagnostiche si completano a vicenda in quanto mentre LLAMA osserva le regioni interne ed esterne della parte inferiore del tokamak, ALPACA osserva le regioni interne ed esterne della parte superiore.
"Abbiamo bisogno di entrambi i dispositivi perché, anche se sappiamo che gli atomi neutri circondano il plasma, il numero di atomi neutri varia da luogo a luogo, quindi non sappiamo esattamente dove si accumulano", ha affermato Alessandro Bortolon, principale fisico ricercatore del PPPL che dirige il laboratorio. Collaborazione PPPL con la General Atomics DIII-D National Fusion Facility di San Diego.
"Per questo motivo, e poiché non possiamo estrapolare da singole misurazioni, dobbiamo misurare in più punti."
Come tutta la diagnostica, ALPACA ha uno scopo cruciale. "Quando eseguiamo esperimenti su macchine come DIII-D, dobbiamo capire cosa sta succedendo all'interno del dispositivo, soprattutto se vogliamo migliorarne le prestazioni", ha affermato Horvath.
"Ma poiché il plasma è a 100 milioni di gradi Celsius, non possiamo usare semplicemente un termometro da forno o qualcosa di convenzionale. Si scioglierebbero e basta. La diagnostica ci fornisce informazioni su quella che altrimenti sarebbe una scatola nera."
Il progetto di ALPACA incorporava la stampa 3D, una tecnica che ha consentito l'integrazione di una camera cava all'interno della struttura principale per i condotti di raffreddamento. "Non ci sarebbe modo di lavorare questa parte in nessun altro modo", ha affermato David Mauzey, senior presso la San Diego State University e associato tecnico presso PPPL. Mauzey ha anche guidato gli aspetti di ingegneria meccanica del progetto ALPACA.
"Questo è il primo grande progetto per il quale ho gestito la maggior parte dell'ingegneria meccanica", ha affermato Mauzey. "Ci sono state delle sfide, ad esempio capire il posizionamento dei componenti ottici, ma il processo è stato divertente."
ALPACA è stato progettato e costruito esclusivamente da PPPL, sebbene il sistema completo, composto da ALPACA e LLAMA, sarà gestito da PPPL e dal Massachusetts Institute of Technology in collaborazione. Contributi significativi sono stati apportati anche da Alexander Nagy, vice capo della ricerca fuori sede DIII-D del PPPL, e Florian Laggner, assistente professore di ingegneria nucleare presso la North Carolina State University.
ALPACA è attualmente in fase di test. Una volta che il DIII-D riprenderà le operazioni questo mese, dopo un periodo di manutenzione, ALPACA inizierà a effettuare misurazioni effettive.
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
