Inversione del plasma: nuova promettente tecnica per la fusione nucleare

L'inversione del plasma è una tecnica che modifica il profilo di corrente dello stesso in un reattore a fusione nucleare

L’inversione del plasma è una tecnica che modifica il profilo di corrente dello stesso in un reattore a fusione nucleare. Il plasma con triangolarità negativa ha mostrato gradienti ridotti che si sviluppano in instabilità.

La modellazione della triangolarità negativa nel tokamak DIII-D (a sinistra) ha prodotto plasmi senza instabilità osservate per triangolarità inferiori a circa -0,15, anche con elevata potenza di riscaldamento e prestazioni del nucleo (a destra).
La modellazione della triangolarità negativa nel tokamak DIII-D (a sinistra) ha prodotto plasmi senza instabilità osservate per triangolarità inferiori a circa -0,15, anche con elevata potenza di riscaldamento e prestazioni del nucleo (a destra).

Sfide per la commercializzazione della fusione nucleare: le instabilità del plasma

Per diventare commercialmente valide, le centrali a fusione nucleare, devono creare e sostenere le condizioni del plasma necessarie per tale reazione. Tuttavia, a temperature e densità elevate, i plasmi spesso sviluppano gradienti. Questi possono trasformarsi in instabilità come le modalità edge localizzate (ELM).

Gli ELM si verificano nel bordo del plasma e hanno il potenziale di danneggiare la vicina parete del reattore. Una caratteristica che può influenzarli è la forma della sezione trasversale del plasma. I ricercatori usano il termine triangolarità per descrivere quanto la forma dello stesso si discosta da una forma ovale. La maggior parte di quelli studiati hanno triangolarità positiva.

In questa ricerca, gli scienziati hanno studiato la triangolarità negativa. È noto che i plasmi a triangolarità negativa mostrano una certa autoregolazione dei gradienti. Attraverso un’analisi approfondita dei dati del programma DIII-D National Fusion Facility, i ricercatori hanno dimostrato che questa modellatura era intrinsecamente priva di instabilità in varie condizioni del plasma.

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I plasmi a triangolarità negativa

La nuova ricerca ha dimostrato che i plasmi a triangolarità negativa sono esenti da instabilità potenzialmente dannose nella regione del bordo del plasma senza sacrificare le prestazioni di fusione. Questo ha suggerito che la modellatura della triangolarità negativa stabilizza le instabilità nel bordo del plasma. Allo stesso tempo, raggiunge le elevate prestazioni di base e le condizioni marginali necessarie per ottenere la combustione di cui avranno bisogno le future centrali a fusione.

Il risultato ottenuto ha suggerito che la modellatura della triangolarità negativa potrebbe essere un approccio ideale per la progettazione di centrali a fusione nucleare.

Gli esperimenti eseguiti con il tokamak del DIII-D National Fusion Facility, hanno esplorato l’uso della modellatura della triangolarità negativa per limitare lo sviluppo di ELM altamente instabili ed energetici. Il lavoro ha fatto parte di una più ampia collaborazione che ha compreso quasi tutte le istituzioni che hanno perseguito la ricerca sulla fusione negli Stati Uniti.

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Impatto della triangolarità negativa sulle instabilità del plasma

Sebbene gli ELM siano comuni nelle condizioni del plasma ad alte prestazioni rilevanti per le centrali a fusione nucleare, lo studio ha scoperto che la modellatura della triangolarità negativa limita lo sviluppo di gradienti di temperatura e pressione che possono trasformarsi in ELM. In particolare, i plasmi con forte triangolarità negativa (meno di -0,15) non hanno mostrato alcuna instabilità, anche con l’elevata potenza di riscaldamento.

L’analisi approfondita di un ampio set di dati DIII-D che rappresenta una serie di condizioni, tra cui le elevate prestazioni del nucleo e la compatibilità dei bordi necessarie per i reattori a fusione, ha mostrato costantemente questa natura priva di ELM.

Questo lavoro è stato reso possibile dalla diagnostica completa e ad alta fedeltà del tokamak DIII-D e i miglioramenti nella modellazione hanno contribuito a supportare le conclusioni che mostrano una migliore stabilità in una gamma più ampia di condizioni.

Inoltre, questa stabilità intrinseca era più robusta della soppressione dell’ELM ottenuta con altri approcci, come le perturbazioni magnetiche risonanti per sopprimere gli stessi o il funzionamento in un regime privo. Pertanto, la modellazione della triangolarità negativa ha il potenziale per limitare le instabilità dannose del plasma ad alta energia che rappresentano attualmente una delle principali sfide nella progettazione delle centrali a fusione.

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