Proprio come ci sono le onde nell’oceano, le onde possono formarsi anche in un gas elettricamente carico chiamato plasma, composto da elettroni e ioni. Nell'oceano, le persone fanno surf cavalcando le loro tavole quasi alla stessa velocità delle onde. Questa condizione di adattamento, chiamata risonanza, consente all'onda di spingere efficacemente il surfista scambiando energia.

Nei plasmi, i surfisti possono essere ioni molto veloci, che possono verificarsi nei dispositivi di fusione come risultato di reazioni di fusione o di altri processi utilizzati per riscaldare il plasma. Questi ioni veloci spesso fanno l'opposto dei surfisti nell'oceano:danno energia alle onde, facendole aumentare di dimensioni. Mentre le particelle risonanti scambiano energia con le onde, vengono anche spinte da altre particelle nel plasma attraverso collisioni casuali.

Il tipo di queste collisioni e la frequenza con cui si verificano determinano quanto grandi diventeranno le onde e quanto le particelle si muoveranno. Se le onde diventano troppo grandi o troppo numerose, possono far uscire le particelle del surf dal dispositivo, rappresentando un potenziale pericolo per le pareti e riducendo anche la quantità di energia di fusione prodotta.

Il plasma nei reattori a fusione deve essere costantemente riscaldato per mantenere le temperature necessarie per produrre energia. Tuttavia, gli ioni veloci che riscaldano il plasma possono anche risuonare con le onde del plasma. Ciò può causare la crescita di tali onde e potenzialmente eliminare gli ioni veloci dal dispositivo.

I ricercatori devono comprendere le interazioni di risonanza tra gli ioni veloci e le onde del plasma per prevedere e mitigare eventuali effetti avversi. Uno studio, ora pubblicato su Physical Review Letters , ha combinato calcoli matematici con simulazioni al computer per rivelare come diversi tipi di collisioni competono per determinare il modo in cui l'energia si trasferisce tra le particelle risonanti e le onde del plasma.

I ricercatori stanno utilizzando questa nuova comprensione per formulare modelli su come mantenere il plasma sufficientemente caldo da sostenere le reazioni di fusione. Il problema del plasma onda-particella risonante è rilevante anche per alcune interazioni gravitazionali nelle galassie. Ciò significa che i metodi di questo progetto possono essere applicati alla ricerca astrofisica, compreso il lavoro sulla materia oscura.

Negli esperimenti di fusione, gli ioni veloci mantengono il plasma sufficientemente caldo da fondersi cedendo la loro energia al plasma di fondo attraverso le collisioni con gli elettroni. Si verificano due tipi distinti di collisioni:diffusione diffusiva e resistenza convettiva. Le collisioni diffusive sono dello stesso tipo che portano alla dispersione delle palle da biliardo su un tavolo da biliardo.

Nel frattempo, le collisioni trascinate sono responsabili della forza che senti sulla tua mano quando la infili fuori dal finestrino di un'auto in movimento. A seconda della velocità degli ioni veloci e della temperatura del plasma, ogni tipo di collisione concorre ad esercitare una maggiore influenza sul comportamento degli ioni veloci. Nello specifico, una maggiore velocità degli ioni rende la resistenza più importante, mentre una temperatura del plasma più elevata favorisce la diffusione.

Nello stesso momento in cui gli ioni veloci riscaldano il plasma di fondo attraverso le collisioni, possono anche interagire in modo risonante con le onde del plasma che agiscono per assorbire la loro energia, raffreddando potenzialmente il plasma. Senza alcuna collisione, una risonanza tra gli ioni veloci e le onde si verifica solo quando la velocità delle particelle corrisponde esattamente alla velocità dell'onda.

Gli scienziati sanno da tempo che le collisioni diffusive agiscono per “disperdere” la risonanza, consentendo alle particelle di scambiare energia in modo efficiente con l’onda anche se la loro velocità è leggermente più veloce o più lenta del movimento dell’onda. La nuova scoperta di questa ricerca è che quando è presente la resistenza, questo tipo di collisione sposta la velocità alla quale avviene la risonanza, il che implica che l’energia viene effettivamente scambiata in modo più efficiente quando c’è una piccola differenza tra la velocità dello ione veloce e quella del plasma onde.

In questo studio, i ricercatori hanno caratterizzato la forza dell’interazione onda-particella con un oggetto matematico chiamato funzione di risonanza, che dipende dalla differenza tra la velocità dell’onda e quella delle particelle. Quando le collisioni trascinate si verificano molto più spesso di quelle diffusive, accade qualcosa di ancora più bizzarro:esistono velocità completamente nuove alle quali diventa possibile un trasferimento efficiente di energia.

Questo fenomeno crea effettivamente nuove risonanze che non esistevano affatto senza resistenza, rappresentate da nuovi picchi che appaiono nella funzione di risonanza ed estendendo la gamma dell'interazione risonante. La funzione di risonanza, derivata interamente in teoria, determina quanto grandi diventeranno le onde alimentandosi dell'energia libera proveniente dagli ioni veloci risonanti, e anche il modo in cui tali particelle verranno sospinte dall'onda.

Le simulazioni computerizzate non lineari hanno trovato un eccellente accordo con le previsioni teoriche, confermando la validità della funzione di risonanza derivata per qualsiasi combinazione dei due tipi di collisioni e facendo avanzare la nostra comprensione fondamentale di come le collisioni influenzano le interazioni onda-particella risonante nei plasmi. Una volta verificata la teoria di base, è ora possibile applicarla con sicurezza per migliorare i codici utilizzati per simulare la velocità con cui si comportano gli ioni nei dispositivi di fusione, un passo cruciale nel percorso verso lo sviluppo di centrali elettriche a fusione commerciali.

Ulteriori informazioni: V. N. Duarte et al, Spostamento e suddivisione delle linee di risonanza dovute all'attrito dinamico nei plasmi, Lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101

Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica

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