Per la prima volta, gli scienziati hanno costruito un esperimento di fusione utilizzando magneti permanenti, una tecnica che potrebbe mostrare un modo semplice per costruire futuri dispositivi a costi inferiori e consentire ai ricercatori di testare nuovi concetti per le future centrali elettriche a fusione.
I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno unito decenni di esperienza in ingegneria, calcolo e fisica teorica per progettare un nuovo tipo di stellarator, una macchina tortuosa che confina il plasma, il quarto stato della materia caricato elettricamente. , per sfruttare il processo di fusione che alimenta il sole e le stelle e potenzialmente generare elettricità pulita.
"L'uso dei magneti permanenti è un modo completamente nuovo di progettare stellarator", ha affermato Tony Qian, uno studente laureato al Princeton Program in Plasma Physics, che ha sede presso PPPL. Qian è stato l'autore principale degli articoli pubblicati sul Journal of Plasma Physics e Fusione nucleare che descrivono in dettaglio la teoria e l'ingegneria dietro il dispositivo, noto come MUSE. "Questa tecnica ci consente di testare rapidamente nuove idee per il confinamento del plasma e di costruire facilmente nuovi dispositivi."
Gli stellarator si basano tipicamente su complicati elettromagneti che hanno forme complesse e creano i loro campi magnetici attraverso il flusso di elettricità. Questi elettromagneti devono essere costruiti con precisione, con pochissimo margine di errore, il che ne aumenta i costi.
Tuttavia, i magneti permanenti, come i magneti che fissano le opere d'arte alle porte dei frigoriferi, non hanno bisogno di correnti elettriche per creare i loro campi. Possono anche essere ordinati direttamente da fornitori industriali e poi incorporati in un guscio stampato in 3D attorno al recipiente a vuoto del dispositivo, che contiene il plasma.
"MUSE è in gran parte costruito con parti disponibili in commercio", ha affermato Michael Zarnstorff, fisico ricercatore senior presso PPPL e ricercatore principale del progetto. "Lavorando con aziende di stampa 3D e fornitori di magneti, possiamo guardarci intorno e acquistare la precisione di cui abbiamo bisogno invece di realizzarla da soli."
L'idea originale che i magneti permanenti potessero rappresentare la base per una nuova varietà di stellarator più economica è arrivata a Zarnstorff nel 2014. "Mi sono reso conto che anche se fossero posizionati accanto ad altri magneti, i magneti permanenti delle terre rare potrebbero generare e mantenere i campi magnetici necessari "confinare il plasma in modo che possano verificarsi reazioni di fusione", ha affermato Zarnstorff, "e questa è la proprietà che fa funzionare questa tecnica."
Risolvere un problema tecnico di vecchia data
Inventati più di 70 anni fa dal fondatore di PPPL Lyman Spitzer, gli stellarator sono solo un concetto per gli impianti di fusione. Un altro è il tokamak a forma di ciambella o di mela, come il National Spherical Torus Experiment-Upgrade di PPPL, che confina il plasma utilizzando magneti relativamente semplici. Per decenni, questo è stato il progetto preferito dagli scienziati di tutto il mondo per via della capacità dei dispositivi di confinare il plasma.
Tuttavia, i tokamak si basano anche su campi magnetici creati da correnti elettriche che attraversano il centro del plasma, che creano instabilità che interferiscono con le reazioni di fusione. Tuttavia, gli stellarator possono funzionare senza tali correnti e quindi possono funzionare per periodi di tempo indefiniti. Ma i loro complicati magneti, difficili da progettare e costruire, hanno fatto sì che per anni gli stellarator non fossero un'opzione economica o pratica per le centrali elettriche a fusione.
Ecco perché il successo del MUSE nel dimostrare che gli stellarator possono funzionare utilizzando semplici magneti è così importante. "I tipici magneti degli stellarator sono molto difficili da lavorare perché devi farlo in modo molto preciso", ha affermato Amelia Chambliss, una studentessa laureata presso il Dipartimento di fisica applicata e matematica applicata della Columbia University che ha contribuito a progettare MUSE durante uno stage di laboratorio universitario di scienze DOE presso PPPL a. qualche anno fa. "Quindi, l'idea di poter utilizzare molti magneti discreti per svolgere il lavoro è molto entusiasmante. È un problema ingegneristico molto più semplice."
Oltre a rappresentare una svolta ingegneristica, MUSE mostra anche una proprietà teorica nota come quasisimmetria a un livello più elevato rispetto a qualsiasi altro stellarator prima. È anche il primo dispositivo completato in qualsiasi parte del mondo progettato specificamente per avere un tipo di quasisimmetria noto come quasiassisimmetria.
Concepito dal fisico Allen Boozer del PPPL all'inizio degli anni '80, quasisimmetria significa che, sebbene la forma del campo magnetico all'interno dello stellarator possa non essere la stessa attorno alla forma fisica dello stellarator, la forza del campo magnetico è uniforme attorno al dispositivo, portando a buon confinamento del plasma e maggiore probabilità che si verifichino reazioni di fusione. "In effetti, l'ottimizzazione della quasisimmetria di MUSE è almeno 100 volte migliore di qualsiasi stellarator esistente", ha affermato Zarnstorff.
"Il fatto che siamo riusciti a progettare e costruire questo stellarator è un vero risultato", ha affermato Qian.
In futuro, il team PPPL prevede di eseguire una serie di esperimenti per determinare l'esatta natura della quasisimmetria di MUSE e quindi capire quanto bene il dispositivo impedisce alle particelle calde di spostarsi dal nucleo del plasma al bordo, rendendo più difficili le reazioni di fusione. . I metodi includeranno la mappatura dei campi magnetici in modo più preciso e la misurazione del modo in cui il plasma rotante rallenta, che dipende dalla quasisimmetria del dispositivo.
MUSE dimostra il tipo di innovazione possibile in un laboratorio nazionale statunitense. "Per me, la cosa più importante del MUSE è che rappresenta un modo creativo per risolvere un problema difficile", ha detto Chambliss. "Utilizza molti approcci innovativi e di mentalità aperta per risolvere i problemi di lunga data dello Stellarator. Finché la comunità continuerà a pensare in questo modo flessibile, saremo in buona forma."
Ulteriori informazioni: T.M. Qian et al, Progettazione e costruzione dello stellarator a magnete permanente MUSE, Journal of Plasma Physics (2023). DOI:10.1017/S0022377823000880
T. Qian et al, Stellarator ottimizzati più semplici che utilizzano magneti permanenti, Fusione nucleare (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac6c99
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
