Un team internazionale di ricercatori ha scoperto un modo per controllare la dimensione delle instabilità nel plasma dei reattori a fusione. Grandi instabilità possono danneggiare un reattore, mentre piccole instabilità potrebbero rivelarsi utili per rimuovere l'elio di scarto dal plasma. Pertanto, la scoperta potrebbe fornire una guida importante per il funzionamento di reattori a fusione su larga scala.
La fusione di nuclei di idrogeno in un plasma confinato magneticamente potrebbe fornire grandi quantità di energia rispettosa dell'ambiente. Tuttavia, il controllo del plasma surriscaldato rimane una sfida significativa.
Nei reattori tokamak a forma di ciambella più utilizzati negli attuali esperimenti di fusione, il plasma è confinato da forti campi magnetici. Ciò genera ripidi gradienti di pressione tra il bordo del plasma e le pareti del reattore. Se il gradiente di pressione sul bordo è troppo grande, può portare a instabilità chiamate modalità localizzate sul bordo (ELM). Questi emettono esplosioni di particelle ed energia che possono causare seri danni alle pareti del reattore.
Questo ultimo studio è stato condotto da Giorgio Harrer presso l'Università tecnica di Vienna. Per studiare le condizioni che creano ELM, il team ha condotto esperimenti presso il tokamak ASDEX Upgrade presso il Max Planck Institute for Plasma Physics in Germania.
Aumento della densità del plasma
Hanno scoperto che è possibile evitare ELM di grandi dimensioni aumentando la densità del plasma, con il risultato di ELM più piccoli che si verificano più frequentemente. Oltre a causare meno danni, i piccoli ELM potrebbero aiutare a rimuovere l'elio di scarto dal plasma.
Il risultato record di JET e la ricerca dell'energia da fusione
Il team ha anche scoperto che ad alte densità di plasma, l'emergere di ELM può essere controllato regolando la topologia delle linee del campo magnetico che confinano il plasma. In un tokamak, queste linee di campo si avvolgono elicoidalmente attorno al plasma, il che significa che le forze che impartiscono si alternano in direzione rispetto ai gradienti di pressione. In alcune regioni del plasma, le forze lavorano contro l'instabilità mentre in altre regioni le forze incoraggiano l'instabilità. Questo compromesso può essere caratterizzato da una soglia di instabilità, che definisce il gradiente di pressione minimo necessario per creare ELM.
Harrer e colleghi hanno scoperto che l'aumento dell'avvolgimento elicoidale del campo magnetico aumentava la soglia di instabilità e quindi riduceva la produzione ELM. Inoltre, l'aumento del taglio magnetico ai margini del plasma ha portato a una soglia di instabilità maggiore. Il taglio magnetico è l'angolo tra due linee di campo magnetico che si incrociano.
L'uso di un plasma con un elevato gradiente di pressione aumenta il guadagno di energia di fusione di un reattore a fusione, con il compromesso che rappresenta un rischio crescente di danni ELM. Tuttavia, piccoli ELM potrebbero rivelarsi utili per espellere l'elio di scarto. Di conseguenza, questi fenomeni devono essere finemente bilanciati per ottimizzare il funzionamento dei futuri reattori a fusione. Quest'ultima ricerca fornisce importanti spunti su come ciò potrebbe essere fatto.
Il team riferisce i suoi risultati in Physical Review Letters.
