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Questa idea sta ispirando un nuovo approccio alla gestione del plasma, lo stato super-caldo della materia, da utilizzare come fonte di energia. Gli scienziati stanno sfruttando le imperfezioni dei campi magnetici che confinano una reazione per migliorare e potenziare il plasma in un approccio delineato in un articolo sulla rivista Nature Communications .
"Questo approccio consente di mantenere un plasma ad alte prestazioni, controllando simultaneamente le instabilità nel nucleo e nei bordi del plasma. Questo controllo simultaneo è particolarmente importante e difficile da realizzare. Questo è ciò che rende questo lavoro speciale", ha affermato Joseph Snipes del Laboratorio di fisica del plasma di Princeton (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). È il vice capo del dipartimento di scienze sperimentali Tokamak del PPPL ed è stato coautore dell'articolo.
Il fisico del PPPL Seong-Moo Yang ha guidato il gruppo di ricerca, che comprende varie istituzioni negli Stati Uniti e nella Corea del Sud. Yang afferma che questa è la prima volta che un gruppo di ricerca convalida un approccio sistematico per personalizzare le imperfezioni del campo magnetico per rendere il plasma adatto all’uso come fonte di energia. Queste imperfezioni del campo magnetico sono note come campi di errore.
"Il nostro nuovo metodo identifica le correzioni ottimali del campo di errore, migliorando la stabilità del plasma", ha affermato Yang. "È stato dimostrato che questo metodo migliora la stabilità del plasma in diverse condizioni, ad esempio quando il plasma era in condizioni di alto e basso confinamento magnetico."
I campi di errore sono tipicamente causati da minuscoli difetti nelle bobine magnetiche del dispositivo che contiene il plasma, chiamato tokamak. Fino ad ora, i campi di errore erano visti solo come un fastidio perché anche un campo di errore molto piccolo poteva causare un’interruzione del plasma che arrestava le reazioni di fusione e poteva danneggiare le pareti di un vaso di fusione. Di conseguenza, i ricercatori sulla fusione hanno dedicato molto tempo e sforzi alla ricerca meticolosa di modi per correggere i campi di errore.
"È piuttosto difficile eliminare i campi di errore esistenti, quindi invece di correggere queste irregolarità della bobina, possiamo applicare campi magnetici aggiuntivi che circondano il recipiente di fusione in un processo noto come correzione del campo di errore", ha affermato Yang.
In passato, questo approccio avrebbe danneggiato anche il nucleo del plasma, rendendolo inadatto alla generazione di energia da fusione. Questa volta i ricercatori sono riusciti a eliminare le instabilità ai margini del plasma e a mantenere la stabilità del nucleo. La ricerca è un ottimo esempio di come i ricercatori del PPPL stanno colmando il divario tra l'attuale tecnologia di fusione e ciò che sarà necessario per portare l'energia da fusione nella rete elettrica.
"Questo è in realtà un modo molto efficace per rompere la simmetria del sistema, in modo che gli esseri umani possano intenzionalmente degradare il confinamento. È come fare un foro molto piccolo in un palloncino in modo che non esploda", ha detto SangKyeun Kim, uno scienziato ricercatore dello staff. presso PPPL e coautore dell'articolo. Proprio come l'aria fuoriesce da un piccolo foro in un palloncino, una piccola quantità di plasma fuoriesce dal campo di errore, il che aiuta a mantenere la stabilità complessiva.
Una delle parti più difficili nella gestione di una reazione di fusione è far sì che sia il nucleo che il bordo del plasma si comportino contemporaneamente. Esistono zone ideali per la temperatura e la densità del plasma in entrambe le regioni e raggiungere questi obiettivi eliminando le instabilità è difficile.
Questo studio dimostra che la regolazione dei campi di errore può stabilizzare simultaneamente sia il nucleo che il bordo del plasma. Controllando attentamente i campi magnetici prodotti dalle bobine del tokamak, i ricercatori hanno potuto sopprimere le instabilità dei bordi, note anche come modalità localizzate sui bordi (ELM), senza causare interruzioni o una sostanziale perdita di confinamento.
"Stiamo cercando di proteggere il dispositivo", ha affermato Qiming Hu, fisico ricercatore del PPPL, autore dell'articolo.
La ricerca è stata condotta utilizzando il tokamak KSTAR in Corea del Sud, che si distingue per la sua capacità di regolare la configurazione del campo di errore magnetico con grande flessibilità. Questa capacità è fondamentale per sperimentare diverse configurazioni di campi di errore per trovare quelle più efficaci per stabilizzare il plasma.
I ricercatori affermano che il loro approccio ha implicazioni significative per la progettazione dei futuri impianti pilota di fusione tokamak, rendendoli potenzialmente più efficienti e affidabili. Attualmente stanno lavorando su una versione di intelligenza artificiale (AI) del loro sistema di controllo per renderlo più efficiente.
"Questi modelli sono abbastanza complessi; richiedono un po' di tempo per essere calcolati. Ma quando vuoi fare qualcosa in un sistema di controllo in tempo reale, puoi permetterti solo pochi millisecondi per fare un calcolo", ha detto Snipes. "Utilizzando l'intelligenza artificiale, puoi sostanzialmente insegnare al sistema cosa aspettarsi ed essere in grado di utilizzare l'intelligenza artificiale per prevedere in anticipo cosa sarà necessario per controllare il plasma e come implementarlo in tempo reale."
Mentre il loro nuovo articolo evidenzia il lavoro svolto utilizzando le bobine magnetiche interne di KSTAR, Hu suggerisce che la ricerca futura con bobine magnetiche all'esterno del recipiente di fusione sarebbe preziosa perché la comunità della fusione si sta allontanando dall'idea di alloggiare tali bobine all'interno del recipiente sottovuoto a causa di la potenziale distruzione di tali componenti a causa del calore estremo del plasma.
Ulteriori informazioni: SeongMoo Yang et al, Adattamento dei campi di errore del tokamak per controllare le instabilità e il trasporto del plasma, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45454-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
