In un plasma in combustione, mantenere il confinamento degli ioni energetici prodotti dalla fusione è essenziale per produrre energia. Questi plasmi di fusione ospitano un'ampia gamma di onde elettromagnetiche che possono spingere gli ioni energetici fuori dal plasma.
Ciò riduce il riscaldamento del plasma derivante dai prodotti della reazione di fusione e pone fine allo stato di plasma in fiamme. Recenti misurazioni presso il DIII-D National Fusion Facility forniscono le prime osservazioni dirette di ioni energetici che si muovono attraverso lo spazio e l'energia in un tokamak.
I ricercatori hanno combinato queste misurazioni con modelli computerizzati avanzati delle onde elettromagnetiche e del modo in cui interagiscono con gli ioni energetici. I risultati forniscono una migliore comprensione dell'interazione tra le onde del plasma e gli ioni energetici nei plasmi di fusione.
La fisica del plasma e la ricerca sulla fusione si stanno spostando da strutture sperimentali verso progetti dimostrativi di centrali elettriche. Per rendere questa mossa un successo, i ricercatori hanno bisogno di simulazioni accurate e di altri strumenti che prevedano le prestazioni dei progetti delle centrali elettriche. La maggior parte degli impianti attuali non produce plasma in fiamme.
Tuttavia, i ricercatori comprendono gran parte della fisica rilevante e stanno sviluppando simulazioni per riprodurre il comportamento sperimentale osservato. La ricerca attuale ha effettuato nuove misurazioni del flusso ionico energetico nel tokamak DIII-D. Ciò accelererà lo sviluppo di modelli che tengano conto di tutte le dinamiche rilevanti dell'interazione onda-ione. Questa migliore comprensione consente anche l'applicazione dell'ingegneria dello spazio delle fasi.
I ricercatori possono utilizzare questo processo per progettare nuovi scenari di plasma di fusione basati su interazioni ideali previste tra onde e ioni. In particolare, queste interazioni possono anche compromettere i satelliti, quindi questa ricerca potrebbe aiutare a migliorarne l'affidabilità.
I ricercatori del DIII-D National Fusion Facility, una struttura utilizzata dal Dipartimento dell'Energia, hanno utilizzato le prime misurazioni di un nuovo sistema diagnostico, l'Imaging Neutral Particle Analyser (INPA), per osservare il flusso di ioni energetici in un tokamak.
Uno sforzo pluriennale per concettualizzare, progettare e costruire l’INPA ha ora fornito la prima possibilità in assoluto di osservare questo comportamento. Dopo essere stati iniettati nel tokamak tramite raggi neutri, gli ioni energetici interagiscono con le onde elettromagnetiche del plasma e fluiscono in energia e posizione attraverso il tokamak. Le simulazioni riproducono il comportamento osservato, dimostrando così l'accuratezza dei modelli dei principi primi nel descrivere la fisica sottostante.
Una migliore comprensione di queste interazioni onda-particella è importante per la progettazione di centrali elettriche a fusione e per comprendere il comportamento dei plasmi osservati nello spazio.
L'INPA misura l'energia degli ioni energetici iniettati dal fascio neutro, che hanno energie maggiori di quella del plasma di fondo, nel tempo e nella posizione spaziale dal nucleo del plasma caldo al bordo del plasma freddo, dove gli ioni possono andare persi.
Insieme a simulazioni avanzate di calcolo ad alte prestazioni che modellano sia lo spettro delle onde elettromagnetiche che le interazioni con gli ioni energetici, questi esperimenti forniscono la comprensione più dettagliata dell'interazione tra le onde del plasma e gli ioni energetici nei plasmi di fusione.
Questa migliore comprensione consente inoltre ai ricercatori di applicare l’ingegneria dello spazio di fase, un processo in cui si progettano nuovi scenari di plasma di fusione basati su interazioni ideali previste tra onde e ioni. Questi tipi di interazioni si verificano nello spazio.
Ad esempio, le onde del ciclotrone ionico elettromagnetico (EMIC) fanno sì che gli elettroni fluiscano attraverso lo spazio e l’energia. In alcuni casi, gli elettroni sono stati accelerati in modo tale da causare malfunzionamenti nei satelliti. Una migliore comprensione dei processi di interazione risonante onda-particella attraverso la ricerca sul plasma di fusione contribuisce alle simulazioni del plasma spaziale, che potrebbero migliorare l'affidabilità delle future missioni satellitari.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Nuclear Fusion .
Ulteriori informazioni: X.D. Du et al, Visualizzazione del flusso veloce dello spazio delle fasi degli ioni nei plasmi ben al di sotto, vicino e ben al di sopra della soglia di stabilità del modo proprio di Alfvén nel tokamak, Fusione nucleare (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5
J. Gonzalez-Martin et al, Modellazione del flusso di ioni veloci indotto dal modo proprio di Alfvén misurato da un analizzatore di particelle neutre per imaging, Fusione nucleare (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406
Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
