Nuovi modelli per lo studio della turbolenza di plasma

La turbolenza di plasma è la più importante criticità nella progettazione di centrali a fusione. Nuovi modelli di studio potrebbero ridurre questi effetti

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Presso il Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) di Garching, in Germania, è stato verificato che il modello di turbolenza, chiamato Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), risulta utile per la descrizione della turbolenza nel plasma dei dispositivi di fusione di tipo tokamak. Le simulazioni al computer, effettuate con il modello GENE, sono state estese alla geometria più complessa dei dispositivi di tipo stellarator e permettono, oggi, di indicare un nuovo metodo per ridurre la turbolenza di plasma all’interno dei plasma stellarator. Ciò potrebbe far crescere, in maniera significativa, l’efficienza di una futura centrale a fusione.

I ricercatori dell’IPP stanno cercando di sviluppare un impianto basato sul modello del Sole, e per loro, la formazione di turbolenza nel carburante dell’impianto – un plasma di idrogeno – rappresenta un elemento essenziale della ricerca. I piccoli vortici trasportano le particelle e il calore al di fuori del centro del plasma caldo e, in questo modo, permettono la riduzione dell’isolamento termale del plasma, confinato magneticamente. Dal momento che le dimensioni di una futura centrale a fusione, così come il prezzo dell’elettricità, dipendono dalla gestione di questa turbolenza, uno degli obiettivi più importanti diventa dunque quello di comprendere, prevedere e influenzare questo trasporto turbolento.

Poiché l’esatta descrizione computazionale della turbolenza di plasma richiederebbe la soluzione di sistemi di equazioni molto complessi, oltre che lo svolgimento di innumerevoli passaggi di calcolo, il processo di sviluppo del codice ha lo scopo di apportare delle semplificazioni significative. Il codice GENE, sviluppato presso l’IPP, è basato su un insieme di equazioni semplificate, chiamate equazioni girocinetiche, il cui compito è quello di ignorare, all’interno del plasma, tutti i fenomeni che non svolgono alcun ruolo nel trasporto della turbolenza. Sebbene, attraverso questo metodo, si possa ridurre di molti ordini di grandezza lo sforzo computazionale, sono comunque necessari i più potenti e veloci supercomputer attualmente in funzione per sviluppare efficacemente il codice. Contestualmente, il codice GENE è in grado di descrivere bene la formazione e la propagazione di piccoli vortici di plasma a bassa frequenza, dentro il plasma stesso, e quindi di riprodurre e spiegare i risultati sperimentali – inizialmente solo per i sistemi di fusione a simmetria assiale, di tipo tokamak, costruiti in maniera semplice.

Per esempio, i calcoli sviluppati da GENE hanno dimostrato che ioni veloci possono ridurre il trasporto di plasma nei plasma di tipo tokamak; risultato, questo, confermato dall’esperimento effettuato al ASDEX Upgrade tokamak di Garching. Gli ioni veloci richiesti sono stati generati dal riscaldamento del plasma, utilizzando delle onde radio alla frequenza di ciclotrone degli ioni stessi.

Un codice tokamak per gli stellarator

Gli esperimenti condotti in precedenza, non avevano evidenziato, negli stellarator, questa riduzione di turbolenza, dovuta a ioni veloci. Gli ultimi calcoli, effettuati con il codice GENE, suggeriscono invece che questo effetto possa esistere anche nei plasma di tipo stellarator. Per esempio, nello stellarator Wendelstein 7-X, dell’IPP di Greifswald (Germania), la turbolenza potrebbe essere ridotta, teoricamente, di più di un mezzo. Come mostrato dagli autori della ricerca, nel giornale Physical Review Letters, la temperatura ottimale degli ioni dipende fortemente dalla forma del campo magnetico.

Il Prof. Frank Jenko, responsabile del dipartimento della Teoria Tokamak presso l’IPP di Garching, dice che se questo risultato calcolato viene confermato nei prossimi esperimenti che verranno effettuati presso il Wendelstein 7-X, di Greifswald, allora si potranno aprire delle nuove strade verso plasmi con prestazioni più elevate.

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Per permettere al codice GENE di essere utilizzato anche per i plasmi di stellarator con forme più complesse, è stato necessario compiere degli importanti aggiornamenti del codice. Senza la simmetria assiale dei tokamak, per gli stellarator si deve fare fronte a una geometria molto più complessa.

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Il responsabile del dipartimento della Teoria Stellarator presso l’IPP di Greifswald, Prof. Per Helander, ovviamente nutre forti speranze che i risultati teorici possano essere verificati sperimentalmente presso lo stellarator Wendelstein 7-X, di Greifswal. Sarà possibile verificare l’adattabilità dei valori del plasma, rilevati nel Wendelstein 7-X, per tali esperimenti, quando, per gli esperimenti futuri, il sistema di riscaldamento a onde radio andrà ad affiancare l’attuale metodo di riscaldamento con correnti di microonde e con particelle.

Il GENE diventa GENE-3-D

Per far sì che il codice GENE non dia solo dei risultati approssimativi, ma si allinei perfettamente alla complessità del fenomeno, è necessario passare a una modalità 3D del codice stesso. Dopo circa cinque anni di lavoro, il GENE-3-D, presentato nel Journal of Computational Physics, riesce a garantire un calcolo della turbolenza, veloce e realistico, anche per gli stellarator. A differenza degli altri codici di turbolenza stellarator, il GENE-3-D descrive l’intera dinamica del sistema, ovvero il moto turbolento degli ioni e degli elettroni sull’interno volume del plasma, incluse le fluttuazioni risultanti del campo magnetico.

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Fonte: phys.org

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