Roma – L’energia di fusione è quella rilasciata quando due nuclei leggeri si combinano per formarne uno solo più pesante (reazione di fusione nucleare). La generazione di energia basata sull’energia da fusione (centrale elettrica a fusione) utilizza l’energia generata quando deuterio e trizio si combinano per formare elio. Una reazione di fusione nucleare non produce anidride carbonica. Inoltre, poiché è possibile estrarre deuterio e trizio dall’acqua di mare, l’energia di fusione è considerata una fonte energetica sostenibile e la ricerca sulla sua applicazione pratica ha fatto rapidi progressi negli ultimi anni. Per avviare una reazione di fusione, il deuterio e il trizio devono essere riscaldati a oltre 100 milioni di gradi Celsius per formare il plasma, che viene poi mantenuto da una forte “gabbia” magnetica. Tuttavia, quando nel plasma viene eccitata la turbolenza, il plasma fuoriesce dalla “gabbia” magnetica. Pertanto, la turbolenza è un argomento importante nella ricerca sulla fusione e la sua soppressione è essenziale per la realizzazione di una centrale elettrica a fusione. Per la soppressione della turbolenza, è essenziale comprendere il meccanismo fisico di eccitazione della turbolenza e LHD è il dispositivo perfetto per affrontare questa sfida. Ad esempio, generalmente la misurazione della turbolenza non è facile, ma l’abbiamo misurata con successo non solo la sua ampiezza ma anche il suo profilo spaziale e la direzione di propagazione utilizzando la diagnostica laser di precisione *5 (Figura 1). Inoltre, queste serie di esperimenti sono stati condotti durante un periodo di sperimentazione del deuterio (2017-2022) *6 in LHD ed è stata studiata la dipendenza della turbolenza dalla massa ionica.
Figura 1 Misurazione della turbolenza nell’LHD
CREDITO
Istituto Nazionale per la Scienza della Fusione
Un gruppo di ricerca guidato dal professore assistente Toshiki Kinoshita (Istituto di ricerca per la meccanica applicata, Università di Kyushu), dal professor Kenji Tanaka (Istituto nazionale per la scienza della fusione, Istituti nazionali di scienze naturali) e dal professor Akihiro Ishizawa (Scuola di specializzazione in scienze energetiche, Università di Kyoto) et al. hanno eseguito esperimenti in cui la densità (quantità di elettroni e ioni) del plasma di idrogeno è stata modificata in condizioni di riscaldamento identiche per acquisire una comprensione completa della turbolenza nell’LHD. Allo stesso tempo, la turbolenza è stata misurata in dettaglio. Di conseguenza, si è scoperto che la turbolenza viene soppressa maggiormente a una certa densità (densità di transizione) e al di sotto della densità di transizione diminuisce con l’aumentare della densità (regione viola nella Figura 2), ma al di sopra della densità di transizione inizia ad aumentare (regione arancione nella Figura 2). Inoltre, è stato osservato che la direzione di propagazione della turbolenza si inverte dopo la densità di transizione. Questo risultato implica che la natura della turbolenza cambia attorno alla densità di transizione (transizione di turbolenza).
Quindi, per corroborare la transizione alla turbolenza, sono state eseguite simulazioni sul supercomputer Raijin. Di conseguenza, abbiamo scoperto che la turbolenza osservata al di sotto della densità di transizione era causata principalmente dal gradiente di temperatura degli ioni, mentre quella al di sopra era causata principalmente dal gradiente di pressione e dalla resistività del plasma. Inoltre, abbiamo identificato che questo cambiamento nella turbolenza è un importante meccanismo fisico di soppressione della turbolenza. Pertanto, facendo pieno uso di esperimenti e simulazioni, abbiamo rivelato che la soppressione della turbolenza osservata era dovuta a un cambiamento nella modalità di turbolenza, cioè alla transizione della turbolenza.
Inoltre, sono stati condotti esperimenti nelle stesse condizioni su plasmi di deuterio e confrontati con plasmi di idrogeno. Di conseguenza, abbiamo scoperto che le transizioni di turbolenza si verificano a densità più elevate per il plasma di deuterio, ovvero la turbolenza viene soppressa a densità più elevate (Figura 3). Inoltre, sorprendentemente, la turbolenza osservata al di sopra della densità di transizione è chiaramente soppressa nei plasmi di deuterio. La soppressione della turbolenza osservata ad alta densità nei plasmi di deuterio implica che sarà ulteriormente soppressa nei plasmi con miscela di deuterio/trizio a densità più elevata e massa più pesante previsti per la generazione di energia da fusione. Questo è un risultato favorevole per la realizzazione tempestiva della produzione di energia da fusione.
Progetti futuri
Questo studio mostra che la turbolenza viene maggiormente soppressa durante la transizione di turbolenza e la densità di transizione di turbolenza è maggiore nei plasmi di deuterio che nei plasmi di idrogeno. Le diverse densità di transizione significano che la condizione di transizione della turbolenza non è determinata esclusivamente dalla densità elettronica. Il prossimo passo è identificare la condizione di transizione della turbolenza in base al contesto fisico della turbolenza e sviluppare scenari operativi innovativi con condizioni di bassa turbolenza per le centrali elettriche a fusione. Vorremmo inoltre estendere la nostra ricerca verso un’estrapolazione ai plasmi misti di deuterio/trizio e la loro applicazione alla progettazione di impianti al fine di trovare soluzioni efficienti per realizzare energia da fusione.(30Science.com)
