Ora credono di avere la risposta per uno scenario particolare. Fa tutto parte del lavoro del laboratorio per portare l'energia dalla fusione alla rete elettrica.

Basandosi su recenti scoperte che mostrano la possibilità di rivestire la superficie interna del recipiente contenente un plasma di fusione con litio liquido, i ricercatori hanno determinato la densità massima di particelle scariche o neutre sul bordo di un plasma prima che il bordo del plasma si raffreddi e alcune instabilità diventano imprevedibili.

Conoscere la densità massima delle particelle neutre ai margini di un plasma di fusione è importante perché dà ai ricercatori un'idea di come e quanto alimentare la reazione di fusione.

La ricerca, presentata in un nuovo articolo su Nuclear Fusion include osservazioni, simulazioni numeriche e analisi dei loro esperimenti all'interno di un contenitore per plasma di fusione chiamato Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).

L'ambiente unico di LTX-β

LTX-β è uno dei tanti vasi di fusione in tutto il mondo che trattiene il plasma a forma di ciambella utilizzando campi magnetici. Tali navi sono conosciute come tokamak. Ciò che rende speciale questo tokamak è che le sue pareti interne possono essere rivestite, quasi completamente, di litio. Ciò modifica radicalmente il comportamento della parete, poiché il litio trattiene una percentuale molto elevata di atomi di idrogeno provenienti dal plasma.

Senza il litio, molto più idrogeno rimbalzerebbe sulle pareti e ritornerebbe nel plasma. All'inizio del 2024, il gruppo di ricerca ha riferito che questo ambiente a basso riciclo dell'idrogeno mantiene caldo il bordo estremo del plasma, rendendolo più stabile e fornendo spazio per un volume maggiore di plasma.

"Stiamo cercando di dimostrare che un muro di litio può consentire un reattore a fusione più piccolo, che si tradurrà in una maggiore densità di potenza", ha affermato Richard Majeski, uno dei principali fisici di ricerca presso PPPL e capo di LTX-β. In definitiva, questa ricerca potrebbe tradursi nella fonte di energia da fusione economicamente vantaggiosa di cui il mondo ha bisogno.

Ora, il team LTX-β ha pubblicato ulteriori risultati che mostrano la relazione tra il combustibile per il plasma e la sua stabilità. Nello specifico, i ricercatori hanno trovato la densità massima di particelle neutre sul bordo del plasma all'interno di LTX-β prima che il bordo iniziasse a raffreddarsi, portando potenzialmente a problemi di stabilità.

I ricercatori ritengono di poter ridurre la probabilità di determinate instabilità mantenendo la densità ai margini del plasma al di sotto del livello appena definito di 1 x 10 ¹⁹ m ^–3 . Questa è la prima volta che viene stabilito un livello del genere per LTX-β, e sapere che si tratta di un grande passo avanti nella loro missione di dimostrare che il litio è la scelta ideale per un rivestimento della parete interna di un tokamak perché li guida verso le migliori pratiche per alimentare i loro plasma.

In LTX-β, la fusione viene alimentata in due modi:utilizzando sbuffi di idrogeno gassoso dal bordo e un fascio di particelle neutre. I ricercatori stanno perfezionando il modo in cui utilizzare entrambi i metodi in tandem per creare un plasma ottimale che sosterrà la fusione per lungo tempo nei futuri reattori a fusione, generando al contempo energia sufficiente per renderlo pratico per la rete elettrica.

Metodi di perfezionamento per mantenere una temperatura uniforme nel plasma

I fisici spesso confrontano la temperatura ai suoi bordi con la temperatura interna per valutare quanto sarà facile gestirla. Tracciano questi numeri su un grafico e considerano la pendenza della linea. Se la temperatura nel nucleo interno e nel bordo esterno sono quasi la stessa, la linea è quasi piatta, quindi lo chiamano profilo di temperatura piatto. Se la temperatura sul bordo esterno è significativamente inferiore alla temperatura nel nucleo interno, gli scienziati lo chiamano profilo di temperatura di picco.

"Il team ha determinato la densità massima di particelle neutre oltre il bordo di un plasma che consente comunque un profilo di temperatura a bordo piatto. Andare oltre quel numero di particelle neutre al bordo farà scendere sicuramente la temperatura del bordo e ci si ritroverà in un profilo della temperatura di picco", ha affermato Santanu Banerjee, fisico ricercatore presso PPPL e autore principale del nuovo articolo.

"Quella stessa densità neutra è la soglia per le instabilità note come modalità di lacerazione. Oltre tale densità, le modalità di lacerazione tendono a destabilizzarsi, causano minacce al plasma e possono fermare la reazione di fusione se lasciate incontrollate."

Se le instabilità diventano troppo grandi, la reazione di fusione finirà. Per supportare la rete elettrica, i ricercatori stanno cercando di individuare i modi migliori per gestire un plasma di fusione in modo che la reazione sia stabile.

Banerjee e Majeski hanno lavorato sull'articolo con diversi altri ricercatori, tra cui Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta e Ron Bell del PPPL.

Il lavoro sul progetto continua. L'ingegnere della PPPL Dylan Corl sta ottimizzando la direzione in cui il raggio neutro, utilizzato per riscaldare il plasma, viene iniettato nel tokamak. "Stiamo praticamente creando un nuovo porting", ha detto Corl. Utilizza un modello 3D dell'LTX-β, testando diverse traiettorie del raggio per garantire che il raggio non colpisca un'altra parte dell'apparecchiatura, come gli strumenti utilizzati per misurare il plasma. "Trovare l'angolazione migliore è stata una sfida, ma credo che ora ce l'abbiamo fatta", ha affermato Corl.