Roma – Nel campo della ricerca sulla fusione, il controllo della densità, della temperatura e del riscaldamento del plasma è fondamentale per migliorare le prestazioni del reattore. È essenziale un efficace confinamento delle particelle di plasma e del calore, in particolare il mantenimento di un’elevata densità e temperatura al centro dove avviene la fusione. Nel Large Helical Device (LHD) *1 , le sfide persistono poiché il profilo di densità elettronica spesso rimane piatto o addirittura depresso al centro, complicando gli sforzi per sostenere un’elevata densità centrale. Qui il link allo studio.
Figura 1．LHD e disposizione del fascio neutro. Il campo magnetico esiste in senso orario.
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Istituto Nazionale per la Scienza della Fusione
Risultati
L’LHD è dotato di cinque iniettori a raggio neutro (NB) *3 per il riscaldamento del plasma. Gli iniettori da NB#1 a NB#3 erogano i raggi tangenzialmente al campo magnetico, mentre NB#4 e NB#5 iniettano i raggi perpendicolarmente (vedere Figura 1). Nonostante le variazioni nel rapporto di potenza tra iniezioni tangenziali e perpendicolari, il profilo della temperatura degli ioni è rimasto invariato. Tuttavia, la Figura 2 illustra l’esistenza di profili di densità elettronica sia con picco (rosso e verde) che piatti (blu).
Figura 2．Profili di densità elettronica nei plasmi. Il cambiamento dello stato degli ioni ad alta energia mostra i profili di densità con picco e piatto.
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Le regolazioni del rapporto ionico energetico da tangenziale a perpendicolare alterano la distribuzione della velocità *4 da isotropa ad anisotropa. Abbiamo esplorato come il profilo di densità dipenda dallo stato *5 di questi ioni energetici analizzando il rapporto tra le energie immagazzinate nelle componenti perpendicolari e parallele, designate come En⊥/En|| dalla potenza del raggio iniettato di NB#1 – NB#5 (fare riferimento alla Figura 3). Modifica dell’anisotropia in un intervallo compreso tra En ⊥ /En || = da 0,3 a 0,8, ha dimostrato che En ⊥ /En || < 0,4 ha portato a un profilo di densità elettronica piatto, mentre En ⊥ /En || > 0,4 ha prodotto profili di densità elettronica con picco centrale. Successivamente, il profilo di densità degli ioni carbonio è stato esaminato iniettando carbonio esternamente e osservando il comportamento degli ioni. Il profilo era depresso centralmente nell’intervallo sperimentale convenzionale di En ⊥ /En || < 0,4, ma ha raggiunto il picco nel nuovo intervallo sperimentale dove En ⊥ /En || > 0,4.
Figura 3．Relazione tra gradienti di densità di elettroni e impurità nei plasmi e anisotropia ionica energetica En ⊥ /En || .
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Questi risultati suggeriscono che le velocità di afflusso/deflusso del plasma cambiano spontaneamente con la presenza di ioni energetici. Ulteriori studi sugli effetti degli ioni energetici sono stati condotti utilizzando calcoli di simulazione. Inizialmente, abbiamo analizzato il campo elettrico nella direzione radiale nel nucleo del plasma, che simulava -5 kV/m, in linea con le misurazioni della sonda a fascio ionico pesante *6 (HIBP illustrato nella Figura 1). Sebbene sia improbabile che un campo elettrico di questa intensità possa influenzare in modo significativo il flusso delle particelle, è stata condotta un’ulteriore analisi del flusso di particelle in ingresso e in uscita a causa della turbolenza *7 . I risultati suggeriscono che la turbolenza può influenzare sia i profili di densità con picco che quelli piatti.
Figure (a), (b) e (c). Distribuzione della velocità nei plasmi.
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Importanza dei risultati della ricerca e sviluppi futuri
Questa scoperta chiarisce che la direzione e il volume dell’afflusso e del deflusso delle particelle all’interno della regione di confinamento del plasma di fusione possono essere regolati efficacemente applicando la natura anisotropa degli ioni energetici, mantenendo così il plasma in uno stato ottimale. In futuro bisognerà chiarire il nuovo meccanismo fisico alla base di ciò. Svilupperemo quindi ulteriormente la nostra ricerca per contribuire a migliorare le prestazioni dei plasmi dei reattori a fusione, al ridimensionamento dei reattori a fusione, al miglioramento della produzione di energia e al controllo delle condizioni di combustione del plasma.(30Science.com)
[Glossario]
*1 Dispositivo elicoidale di grandi dimensioni (LHD): L’LHD è uno dei dispositivi sperimentali al plasma superconduttore elicoidale più grandi al mondo, ospitato presso l’Istituto nazionale per la scienza della fusione nella città di Toki, nella prefettura di Gifu, in Giappone.
*2 Ioni ad alta energia: questi ioni, generati da raggi riscaldati in ambienti in cui la temperatura del plasma raggiunge circa 100 milioni di gradi, possiedono energie circa 10-20 volte superiori alle condizioni ambientali.
*3 Sistema di riscaldamento a iniezione di raggio neutro: questo sistema riscalda il plasma, che comprende elettroni e ioni, utilizzando un raggio di idrogeno ad alta energia, elettricamente neutro. Dopo l’iniezione, il raggio collide con le particelle del plasma, aumentandone di fatto la temperatura.
*4 Distribuzione della velocità: un plasma è costituito da particelle cariche positivamente e negativamente. Queste particelle confinate da un campo magnetico mostrano movimenti unici mentre si muovono a spirale lungo le linee del campo magnetico, differendo nel loro movimento in direzioni parallele e perpendicolari a queste linee. La distribuzione della velocità all’interno del plasma è descritta come isotropa quando le velocità delle particelle sono uniformi sia parallele che perpendicolari alle linee del campo magnetico in una data posizione spaziale. Al contrario, la distribuzione è definita anisotropa quando vengono impiegati iniettori di fascio neutro da NB#1 a NB#3, allineati tangenzialmente, che inducono una popolazione di particelle con velocità elevate parallele alle linee del campo magnetico, come illustrato nella Figura (b) . Al contrario, quando NB#4 e NB#5, che sono allineati perpendicolarmente, vengono attivati, generano una popolazione di particelle con velocità elevate perpendicolari alle linee del campo magnetico, come illustrato nella Figura (c).
*5 Stati ionici energetici: la regolazione del rapporto delle distribuzioni delle particelle con velocità perpendicolari e parallele alle linee del campo magnetico consente agli ioni di passare dallo stato isotropo a quello anisotropo. Questo esperimento si è concentrato sulla variazione dello stato anisotropo.
*6 Sonda a fascio ionico pesante (HIBP): l’HIBP, che utilizza un fascio di ioni d’oro, viene utilizzato per misurare il potenziale elettrico all’interno di un plasma, fornendo una diagnostica critica.
*7 Turbolenza: in condizioni in cui la densità e la temperatura del plasma non sono uniformi, si verifica turbolenza. Ciò si traduce nella crescita delle onde del plasma, che portano alla formazione di flussi e vortici, che spesso si manifestano come movimenti irregolari e turbolenti ad alte temperature.
