Nella loro continua ricerca per sviluppare una gamma di metodi per la gestione del plasma in modo che possa essere utilizzato per generare elettricità in un processo noto come fusione, i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno dimostrato come due vecchi i metodi possono essere combinati per fornire una maggiore flessibilità.
Sebbene i due metodi, noti come azionamento della corrente ciclotrone elettronica (ECCD) e applicazione di perturbazioni magnetiche risonanti (RMP), siano stati studiati a lungo, questa è la prima volta che i ricercatori hanno simulato come possono essere utilizzati insieme per fornire un migliore controllo del plasma.
“Si tratta di un’idea nuova”, ha affermato Qiming Hu, fisico ricercatore presso PPPL e autore principale di un nuovo articolo pubblicato su Fusione nucleare sul lavoro, che è stato dimostrato anche sperimentalmente. “Le potenzialità complete devono ancora essere individuate, ma il nostro documento fa un ottimo lavoro nel far avanzare la nostra comprensione dei potenziali benefici”.
In definitiva, gli scienziati sperano di utilizzare la fusione per generare elettricità. In primo luogo, dovranno superare diversi ostacoli, incluso il perfezionamento di metodi per ridurre al minimo le esplosioni di particelle dal plasma note come modalità edge-localizzate (ELM).
“Periodicamente, queste raffiche rilasciano un po' di pressione perché è eccessiva. Ma queste esplosioni possono essere pericolose”, ha affermato Hu, che lavora per PPPL presso il DIII-D National Fusion Facility, una struttura per utenti DOE ospitata dalla General Atomics. DIII-D è un tokamak, un dispositivo che utilizza i campi magnetici per confinare un plasma di fusione a forma di ciambella. Gli ELM possono porre fine a una reazione di fusione e persino danneggiare il tokamak, quindi i ricercatori hanno sviluppato molti modi per cercare di evitarli.
"Il modo migliore che abbiamo trovato per evitarli è applicare perturbazioni magnetiche risonanti, o RMP, che generano campi magnetici aggiuntivi", ha affermato Alessandro Bortolon, fisico ricercatore principale del PPPL, uno dei coautori dell'articolo.
I campi magnetici generano isole, le microonde le regolano
I campi magnetici inizialmente applicati dal tokamak si avvolgono attorno al plasma a forma di toro, sia nel percorso lungo, attorno al bordo esterno, sia nel percorso breve, dal bordo esterno e attraverso il foro centrale. I campi magnetici aggiuntivi creati dagli RMP viaggiano attraverso il plasma, intrecciandosi dentro e fuori come il punto di una fogna. Questi campi producono campi magnetici ovali o circolari nel plasma chiamati isole magnetiche.
“Normalmente, le isole nel plasma sono davvero, davvero pessime. Se le isole sono troppo grandi, il plasma stesso può distruggerle”.
Tuttavia, i ricercatori sapevano già sperimentalmente che in determinate condizioni le isole possono essere utili. La parte difficile è generare RMP abbastanza grandi da generare le isole. È qui che entra in gioco l'ECCD, che è fondamentalmente un'iniezione di raggi di microonde. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di ECCD al bordo del plasma riduce la quantità di corrente richiesta per generare gli RMP necessari per creare le isole.
L'iniezione del raggio di microonde ha inoltre consentito ai ricercatori di perfezionare la dimensione delle isole per la massima stabilità dei bordi del plasma. Metaforicamente, gli RMP agiscono come un semplice interruttore della luce che accende le isole, mentre l’ECCD agisce come un ulteriore dimmer che consente ai ricercatori di regolare le isole alla dimensione ideale per un plasma gestibile.
"La nostra simulazione affina la nostra comprensione delle interazioni in gioco", ha detto Hu. “Quando l’ECCD è stato aggiunto nella stessa direzione della corrente nel plasma, la larghezza dell’isola è diminuita e la pressione del piedistallo è aumentata. L’applicazione dell’ECCD nella direzione opposta ha prodotto risultati opposti, con un aumento della larghezza dell’isola e una diminuzione della pressione sul piedistallo o una facilitazione dell’apertura dell’isola”.
L’ECCD ai margini, invece che al centro
La ricerca è degna di nota anche perché l'ECCD è stato aggiunto al bordo del plasma invece che al nucleo, dove viene generalmente utilizzato.
“Di solito, le persone pensano che applicare l’ECCD localizzato al bordo del plasma sia rischioso perché le microonde possono danneggiare i componenti del vaso”, ha detto Hu. “Abbiamo dimostrato che è fattibile e abbiamo dimostrato la flessibilità dell'approccio. Ciò potrebbe aprire nuove strade per la progettazione di dispositivi futuri”.
Riducendo la quantità di corrente richiesta per generare gli RMP, questo lavoro di simulazione potrebbe in definitiva portare a ridurre il costo della produzione di energia da fusione nei dispositivi di fusione su scala commerciale del futuro.