La scoperta fondamentale segna un enorme passo avanti nel progresso dei reattori a fusione

I ricercatori hanno utilizzato le onde di Alfvén per attenuare gli elettroni in fuga nei dispositivi di fusione tokamak, fornendo importanti implicazioni per i futuri progetti di energia da fusione, incluso ITER in Francia.

Scienziati guidati da Zhang Liu del Plasma Physics Laboratory di Princeton (PPPL) ha rivelato un approccio promettente per mitigare il danno degli elettroni in fuga causati dalla turbolenza nei dispositivi di fusione tokamak. La chiave di questo approccio è stata sfruttare un genere unico plasma Un’onda che prende il nome dall’astrofisico Hans Alvvén, premio Nobel nel 1970.

È noto da tempo che le onde di Alfvén allentano il confinamento delle particelle ad alta energia nei reattori tokamak, consentendo ad alcune di fuoriuscire e riducendo l’efficienza dei dispositivi a forma di ciambella. Tuttavia, nuove scoperte di Zhang Liu e di ricercatori della General Atomics, della Columbia University e del PPPL hanno rivelato risultati utili nel caso degli elettroni in fuga.

Grande processo circolare

Gli scienziati hanno scoperto che tale allentamento potrebbe disperdere o disperdere gli elettroni ad alta energia prima che si trasformino in valanghe che danneggiano i componenti del tokamak. Si ritiene che questo processo sia straordinariamente circolare: i fuggitivi creano instabilità che danno origine alle onde di Alfvén che impediscono la formazione della valanga.

“Questi risultati forniscono una spiegazione completa per l’osservazione diretta delle onde di Alfvén negli esperimenti di inattivazione”, ha affermato Liu, ricercatore presso PPPL e autore principale di un articolo che descrive in dettaglio i risultati. Lettere di revisione fisica. “I risultati dimostrano un chiaro legame tra questi modelli e la generazione di elettroni in fuga”.

Chang Liu. Credito: Elle Starkman

I ricercatori hanno dedotto una teoria per il circuito osservato di queste interazioni. I risultati si adattano bene ai fuggitivi negli esperimenti condotti presso il National Fusion Facility DIII-D, un tokamak del Dipartimento di Energia gestito dalla General Atomics per l’Ufficio della Scienza. I test della teoria si sono rivelati positivi anche sul supercomputer Summit situato presso l’Oak Ridge National Laboratory.

“Il lavoro di Zhang Liu mostra che la dimensione del pool di elettroni in fuga può essere controllata da instabilità guidate dagli stessi elettroni in fuga”, ha affermato Felix Parra Diaz, responsabile della teoria presso PPPL. “La sua ricerca è molto entusiasmante perché potrebbe portare a progetti di tokamak che mitigano naturalmente il danno degli elettroni in fuga attraverso l’instabilità intrinseca”.

Tempra termica

La turbolenza inizia con un brusco calo delle temperature di un milione di gradi necessarie per le reazioni di fusione. Queste gocce, chiamate “tempra termica”, rilasciano valanghe di frana simili alle frane innescate dai terremoti. “Il controllo della turbolenza è una sfida importante per il successo del tokamak”, ha detto Liu.

Le reazioni di fusione combinano elementi leggeri sotto forma di plasma – lo stato caldo e carico della materia costituito da elettroni liberi e nuclei atomici chiamati ioni – per rilasciare la massiccia energia che alimenta il sole e le stelle. Mitigare il rischio di turbolenza e di elettroni in fuga fornirebbe quindi un vantaggio unico agli impianti tokamak progettati per riprodurre il processo.

Mitigare il rischio di turbolenza e di elettroni in fuga fornirebbe quindi un vantaggio unico agli impianti tokamak progettati per riprodurre il processo.

L’energia da fusione nucleare può essere una fonte fondamentale di energia sostenibile per integrare le fonti di energia rinnovabile. Il più grande esperimento di fusione del mondo, ITER, è ora in costruzione in Francia. Credito: ITER

Il nuovo approccio potrebbe avere implicazioni per l’avanzamento del progetto ITER, un tokamak internazionale in costruzione in Francia per dimostrare l’applicazione pratica dell’energia da fusione e potrebbe rappresentare un passo importante nello sviluppo delle centrali elettriche a fusione.

“I nostri risultati aprono la strada alla creazione di nuove strategie per mitigare gli elettroni in fuga”, ha detto Liu. Adesso sono in fase di progettazione campagne sperimentali in cui i tre centri di ricerca mirano a sviluppare ulteriormente gli sorprendenti risultati.