Fusione nucleare: l’università di Princeton scopre una scorciatoia matematica per facilitarne il raggiungimento

Gli scienziati hanno trovato una scorciatoia matematica che potrebbe aiutare a sfruttare l’energia di fusione, una potenziale fonte di elettricità pulita quasi inesauribile. Il metodo consente ai ricercatori di prevedere più facilmente la capacità di uno stellarator – un dispositivo complesso e convoluto progettato per riprodurre l’energia di fusione che alimenta il sole e le stelle – di trattenere il calore fondamentale per le reazioni di fusione.

Uno stellarator è una macchina che utilizza campi magnetici per confinare il plasma a forma di ciambella, chiamata toroide. Questi campi magnetici consentono agli scienziati di controllare le particelle di plasma e creare le giuste condizioni per le reazioni di fusione. La forma dello stellarator non è però ovoidale perfetta come il toroide, ma convoluta, e proprio questo aiuta a raggiungere temperature e pressioni maggiori con minore energia

Stellarator, forma a flusso del plasma

La tecnica misura la capacità del campo magnetico di uno stellarator di trattenere i nuclei atomici più veloci nel plasma, aumentando il calore complessivo e favorendo le reazioni di fusione. Questo permetterà di trovare matematicamente la forma ottimale dello stellarator. Ma come possono gli scienziati trovare una forma che trattenga il più possibile il calore?

Trovare gabbie magnetiche che trattengano il calore

“Non possiamo simulare i movimenti di tutte le singole particelle in tutti i possibili campi magnetici: ciò richiederebbe una potenza di calcolo quasi infinita”, ha detto Alexandra LeViness, studentessa laureata in fisica del plasma presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). “Invece, dobbiamo usare una scorciatoia”, ha detto LeViness, autrice principale dell’articolo che riporta i risultati sulla rivista Nuclear Fusion.

“Questa ricerca dimostra che possiamo trovare la forma migliore del campo magnetico per confinare il calore calcolando qualcosa di più semplice: quanto le particelle veloci si allontanano dalle superfici curve del campo magnetico al centro del plasma”, ha detto LeViness. “Questo comportamento è descritto da un numero noto come gamma C, che abbiamo scoperto corrispondere in modo coerente al confinamento del plasma”.

In effetti, la scorciatoia fa avanzare la ricerca sugli stellarator futuri, ha detto LeViness, “perché più particelle in rapido movimento rimangono al centro del plasma, più caldo è il combustibile e più efficiente sarà lo stellarator”.

Quindi, invece di calcolare la traiettoria di ogni singola particella, lavoro matematicamente enorme, si calcola come queste siano respinte dai campi magnetici. Un po’ come tracciare una strada invece che misurare la traiettoria di ogni singola auto che percorra la strada stessa.

Storia e futuro della fusione

La fusione libera grandi quantità di energia combinando elementi leggeri sotto forma di plasma, lo stato caldo e carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99% dell’universo visibile. Gli scienziati di tutto il mondo stanno cercando di sfruttare le reazioni di fusione per creare una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

Il PPPL ha più di mezzo secolo di esperienza nello sviluppo delle conoscenze scientifiche teoriche e dell’ingegneria avanzata per consentire alla fusione di alimentare gli Stati Uniti e il mondo intero. Allo stesso tempo, il Laboratorio ha da tempo avanzato la comprensione scientifica di base dell’universo del plasma, dalla scala di laboratorio a quella astrofisica.

Gli stellarator, sviluppati dal fondatore del PPPL Lyman Spitzer negli anni ’50, funzionano senza il rischio di dannose interruzioni che corrono i dispositivi di fusione a forma di ciambella chiamati tokamak. Ma gli stellarator non sono stati a lungo in grado di trattenere il calore come i tokamak, che hanno campi magnetici simili.

“Ma usando tecniche come quella studiata da LeViness, siamo stati in grado di trovare configurazioni magnetiche per gli stellarator che contengono il calore così come possono fare i tokamak”, ha detto Elizabeth Paul, professore assistente di fisica applicata alla Columbia University. “È più impegnativo per gli stellarator, ma LeViness ha contribuito a dimostrare che è possibile”, ha detto Paul, ex borsista presidenziale dell’Università di Princeton.

Un passo avanti verso l’energia disponibile per tutti e senza inquinamento.