Scoperto un nuovo metodo per controllare le reazioni a fusione

Gli scienziati hanno trovato un nuovo modo per impedire alle fastidiose bolle magnetiche nel plasma di interferire con le reazioni di fusione, offrendo un modo potenziale per migliorare le prestazioni dei dispositivi di energia a fusione. Il metodo deriva dalla gestione delle onde a radiofrequenza (RF) per stabilizzare le bolle magnetiche, che possono espandersi e creare interruzioni che possono limitare le prestazioni di ITER, la struttura internazionale in costruzione in Francia per dimostrare la fattibilità della potenza di fusione.

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato il nuovo modello per il controllo di queste bolle o isole magnetiche. Il nuovo metodo modifica la tecnica standard di deposizione costante dei raggi radio (RF) nel plasma per stabilizzare le isole, una tecnica che si rivela inefficiente quando la larghezza di un’isola è piccola rispetto alla dimensione caratteristica della regione su cui si deposita il raggio RF.

Questa regione indica la “lunghezza di smorzamento”, l’area su cui la potenza RF verrebbe normalmente depositata in assenza di un feedback non lineare. L’efficacia della potenza RF può essere notevolmente ridotta quando la dimensione della regione è maggiore della larghezza dell’isola – una condizione chiamata “a basso smorzamento” – poiché gran parte della potenza perde dall’isola.

I Tokamak, strutture di fusione a forma di ciambella che possono sperimentare tali problemi, sono i dispositivi più utilizzati dagli scienziati di tutto il mondo che cercano di produrre e controllare le reazioni di fusione per fornire una fornitura inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità. Tali reazioni combinano elementi luminosi sotto forma di plasma – lo stato della materia costituisce il 99% dell’universo visibile – per generare le enormi quantità di energia che guidano il sole e le stelle.

Superare il problema delle perdite

Il nuovo modello prevede che il deposito dei raggi negli impulsi anziché nei flussi di stato stazionario possa superare il problema delle perdite, ha affermato Suying Jin, studente e autore principale di un documento . “Le pulsazioni possono anche ottenere una maggiore stabilizzazione in casi ad alto smorzamento per la stessa potenza media”, ha detto. Perché questo processo funzioni, “le pulsazioni devono essere eseguite a una velocità che non è né troppo veloce né troppo lenta”, ha riferito. “Questo punto debole dovrebbe essere coerente con la velocità che il calore dissipa dall’isola attraverso la diffusione.”

Il nuovo modello si basa sul lavoro passato dei co-autori e consulenti di Jin Allan Reiman, illustre ricercatore presso la PPPL, e del professor Nat Fisch. La loro ricerca fornisce la struttura non lineare per lo studio della deposizione di potenza RF per stabilizzare le isole magnetiche. “Il significato del lavoro di Suying”, ha detto Reiman, “è che espande considerevolmente gli strumenti che possono essere sfruttati per quello che ora è riconosciuto come il problema chiave che affronta la fusione economica usando l’approccio tokamak. I Tokamak sono afflitti da questi fattori naturali e isole instabili, che portano a una disastrosa e improvvisa perdita del plasma”.

Fisch ha aggiunto: “Il lavoro di Suying non solo suggerisce nuove metodologie di controllo; la sua identificazione di questi effetti appena previsti potrebbe costringerci a rivalutare i risultati sperimentali passati in cui questi effetti potrebbero aver giocato un ruolo non apprezzato. Il suo lavoro ora motiva esperimenti specifici che potrebbero chiarire i meccanismi in gioco e indicano esattamente come controllare al meglio queste disastrose instabilità”.

Il modello originale e il suo funzionamento

Il modello originale di deposizione RF ha mostrato che aumenta la temperatura e guida la corrente al centro di un’isola per impedirne la crescita. Il feedback non lineare interviene quindi tra la deposizione di potenza e le variazioni della temperatura dell’isola che consentono una stabilizzazione notevolmente migliorata. A governare questi sbalzi di temperatura è la diffusione del calore dal plasma ai margini dell’isola.

Tuttavia, nei regimi ad alto smorzamento, in cui la lunghezza dello smorzamento è inferiore alla dimensione dell’isola, questo stesso effetto non lineare può creare un problema chiamato “oscuramento” durante la deposizione allo stato stazionario che causa l’esaurimento del raggio RF prima che raggiunga il centro dell’isola.

“Per prima cosa abbiamo esaminato gli schemi a impulsi RF per risolvere il problema dell’ombreggiamento”, ha detto Jin. “Tuttavia, si è scoperto che nei regimi ad alto smorzamento il feedback non lineare in realtà fa sì che le pulsazioni esacerbino l’ombreggiatura e il raggio si esaurisca ancora prima. Quindi abbiamo risolto il problema e abbiamo scoperto che l’effetto non lineare può quindi causare pulsazioni per ridurre la potenza che fuoriesce dall’isola in scenari a basso smorzamento.”

Queste tendenze previste si prestano naturalmente alla verifica sperimentale, ha detto Jin. “Tali esperimenti”, ha osservato, “mirerebbero a dimostrare che le pulsazioni aumentano la temperatura di un’isola fino a raggiungere una stabilizzazione ottimale del plasma”.