Princeton modella il plasma e accelera la strada verso la fusione nucleare

I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno compiuto un passo fondamentale verso la fusione nucleare, individuando la fonte del crollo di energia termica che precede le interruzioni del processo di fusione che possono danneggiare gli impianti di fusione tokamak, secondo un comunicato stampa dell’istituto pubblicato martedì. Questo sviluppo potrebbe superare una delle sfide più critiche che le future strutture di fusione devono affrontare ora e in futuro.

Gli scienziati hanno ricondotto il collasso al disordine tridimensionale dei forti campi magnetici del tokamak. “Abbiamo proposto un modo nuovo per comprendere le linee di campo [disordinate], che di solito sono state ignorate o mal modellate negli studi precedenti”, ha dichiarato Min-Gu Yoo, ricercatore post-dottorato presso il PPPL e autore principale del nuovo studio.

I campi magnetici sono utilizzati negli impianti di fusione come sostituti della potente gravità che mantiene le reazioni di fusione nei corpi celesti. Tuttavia, negli esperimenti di laboratorio questi campi sono disordinati dall’instabilità del plasma, con il risultato di un plasma supercaldo che sfugge rapidamente al confinamento. Il calore che ne deriva può danneggiare le pareti degli impianti di fusione. Il problema era che questo tipo di comportamento era sino a ora non prevedibile, esponendo gli impianti a pericolosi, e costosi incidenti:

“Nel caso di una grave perturbazione, le linee di campo diventano totalmente [disordinate] come spaghetti e si collegano rapidamente alla parete con lunghezze molto diverse”, ha detto il fisico ricercatore principale Weixing Wang. “Questo porta l’enorme energia termica del plasma contro la parete”.

Poter prevedere il comportamento dei campi magnetici permette di rendere il processo di preparazione della fusione poco rischioso e, soprattutto prevedibile, anche attraverso la tecnica tradizione dei

Gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per catturare e dirigere il processo di fusione atomica sulla Terra, al fine di sviluppare una fonte di energia pulita, priva di emissioni di carbonio e possibilmente inesauribile, in grado di generare elettricità.

Un ostacolo finora sconosciuto era la forma tridimensionale, o topologia, delle linee di campo disordinate causate dall’instabilità turbolenta. Questa topologia è all’origine della creazione di piccole “colline” e “avvallamenti” in cui alcune particelle rimangono intrappolate, mentre le altre si schiantano contro le pareti della macchina.

“L’esistenza di queste colline è responsabile del rapido crollo della temperatura, il cosiddetto quench termico, in quanto consentono a un maggior numero di particelle di sfuggire alla parete del tokamak”, ha detto Yoo. “Quello che abbiamo mostrato nell’articolo è come disegnare una buona mappa per comprendere la topologia delle linee di campo. Senza colline magnetiche, la maggior parte degli elettroni sarebbe rimasta intrappolata nel flusso magnetico. e non avrebbe potuto produrre il thermal quench osservato negli esperimenti”.

La modellizzazione del plasma permetterà quindi di accelerare notevolmente il processo di concentrazione del plasma e la possibilità di ottenere una fusione anche con le tecnologie più diffuse dei tokamak.