Roma – Secondo i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), il violento calore di scarico generato dalla fusione del plasma in un reattore su scala commerciale potrebbe non essere così dannoso per l’interno del recipiente come si pensava. Laboratorio nazionale di Oak Ridge e Organizzazione ITER (ITER).
“Questa scoperta cambia radicalmente il modo in cui pensiamo al modo in cui il calore e le particelle viaggiano tra due regioni di fondamentale importanza ai margini di un plasma durante la fusione “, ha affermato Choongseok Chang , fisico ricercatore e direttore generale del PPPL , che ha guidato il team di ricercatori dietro la scoperta. Un nuovo articolo che descrive in dettaglio il loro lavoro è stato recentemente pubblicato sulla rivista Nuclear Fusion, dopo precedenti pubblicazioni sull’argomento.
Questa immagine fissa di una nuova simulazione mostra come il plasma proveniente dalla regione del piedistallo è collegato attraverso la presunta ultima superficie di confinamento nella regione del plasma del divertore. I lobi lunghi e sottili fluttuano nel tempo e nello spazio.
CREDITO
Credito di simulazione: Seung-Hoe Ku / Princeton Plasma Physics Laboratory sul computer Summit del DOE presso l’Oak Ridge National Laboratory; Crediti per la visualizzazione: Dave Pugmire e Jong Youl Choi / Oak Ridge National Laboratory
Per ottenere la fusione, le temperature all’interno di un tokamak – il dispositivo a forma di ciambella che contiene il plasma – devono superare i 150 milioni di gradi Celsius. È 10 volte più caldo del centro del sole. Contenere qualcosa di così caldo è impegnativo, anche se il plasma è in gran parte tenuto lontano dalle superfici interne utilizzando campi magnetici. Questi campi mantengono la maggior parte del plasma confinato in una regione centrale conosciuta come nucleo, formando un anello a forma di ciambella. Tuttavia, alcune particelle e calore sfuggono al plasma confinato e colpiscono il materiale rivolto verso il plasma. Nuove scoperte dei ricercatori del PPPL suggeriscono che le particelle che fuoriescono dal plasma centrale all’interno di un tokamak entrano in collisione con un’area del tokamak più ampia di quanto si pensasse, riducendo notevolmente il rischio di danni.
Ricerche precedenti basate sulla fisica e sui dati sperimentali dei tokamak attuali suggerivano che il calore di scarico si sarebbe concentrato su una fascia molto stretta lungo una parte della parete del tokamak nota come piastre divertrici. Dedicato alla rimozione del calore di scarico e delle particelle dal plasma in fiamme, il divertore è fondamentale per le prestazioni di un tokamak.
“Se tutto questo calore colpisce quest’area ristretta, questa parte della piastra del divertore verrà danneggiata molto rapidamente”, ha affermato Chang, che lavora nel dipartimento di teoria del PPPL. “Potrebbe significare frequenti periodi di inattività. Anche se stai semplicemente sostituendo questa parte della macchina, l’operazione non sarà rapida.”
Il problema non ha fermato il funzionamento dei tokamak esistenti che non sono così potenti come quelli che saranno necessari per un reattore a fusione su scala commerciale. Tuttavia, negli ultimi decenni, vi è stata una forte preoccupazione che un dispositivo su scala commerciale potesse creare plasmi così densi e caldi da danneggiare le piastre divertrici. Un piano proposto prevedeva l’aggiunta di impurità al bordo del plasma per irradiare l’energia del plasma in fuga, riducendo l’intensità del calore che colpisce il materiale del divertore, ma Chang ha affermato che questo piano era ancora impegnativo.
Simulazione della via di fuga
Chang decise di studiare come le particelle fuoriuscivano e dove sarebbero atterrate su un dispositivo come ITER, l’impianto multinazionale di fusione in fase di assemblaggio in Francia. Per fare ciò, il suo gruppo ha creato una simulazione del plasma utilizzando un codice informatico noto come Codice girocinetico incluso X-Point (XGC). Questo codice è uno dei tanti sviluppati e gestiti da PPPL utilizzati per la ricerca sul plasma di fusione.
La simulazione ha mostrato come le particelle di plasma viaggiavano attraverso la superficie del campo magnetico, che doveva essere il confine che separava il plasma confinato dal plasma non confinato, compreso il plasma nella regione del divertore. Questa superficie del campo magnetico, generata da magneti esterni, è chiamata l’ultima superficie di confinamento. Un paio di decenni fa, Chang e i suoi collaboratori scoprirono che le particelle cariche note come ioni attraversavano questa barriera e colpivano le piastre divergenti. Successivamente scoprirono che questi ioni in fuga facevano sì che il carico termico si concentrasse su un’area molto ristretta delle piastre del deviatore.
Alcuni anni fa, Chang e i suoi collaboratori hanno scoperto che la turbolenza del plasma può consentire alle particelle caricate negativamente chiamate elettroni di attraversare l’ultima superficie di confinamento e aumentare di 10 volte il carico termico sulle piastre divergenti di ITER. Tuttavia, la simulazione presupponeva ancora che l’ultima superficie di confinamento non fosse disturbata dalla turbolenza del plasma.
“Nel nuovo articolo, mostriamo che l’ultima superficie di confinamento è fortemente disturbata dalla turbolenza del plasma durante la fusione, anche quando non ci sono disturbi causati da bobine esterne o improvvise instabilità del plasma”, ha detto Chang. “Non esiste una buona superficie di ultimo confinamento a causa del folle e turbolento disturbo della superficie magnetica chiamato grovigli omoclini”.
In effetti, Chang ha affermato che la simulazione ha mostrato che gli elettroni collegano il bordo del plasma principale ai plasmi divertori. Il percorso degli elettroni mentre seguono il percorso di questi grovigli omoclini allarga la zona di colpo di calore del 30% in più rispetto alla precedente stima dell’ampiezza basata sulla sola turbolenza. “Ciò significa che è ancora meno probabile che la superficie del divertore venga danneggiata dal calore di scarico se combinato con il raffreddamento radiativo degli elettroni mediante l’iniezione di impurità nel plasma del divertore. La ricerca mostra anche che i turbolenti grovigli omoclinici possono ridurre la probabilità di improvvise instabilità ai margini del plasma, poiché ne indeboliscono la forza motrice”.
“Non ci si dovrebbe fidare dell’ultima superficie di confinamento in un tokamak”, ha detto Chang. “Ma ironicamente, potrebbe aumentare le prestazioni di fusione diminuendo la possibilità di danni alla superficie del divertore durante il funzionamento a regime ed eliminando l’esplosione transitoria di energia del plasma sulla superficie del divertore dalle improvvise instabilità del bordo del plasma, che sono due tra le preoccupazioni che limitano maggiormente le prestazioni. nei futuri reattori tokamak commerciali”.(30Science.com)
