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Nuovo passo fondamentale verso la fusione nucleare

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I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), hanno compiuto un passo fondamentale verso il raggiungimento della fusione nucleare individuando la fonte del crollo del calore che precede le interruzioni che possono danneggiare gli impianti di fusione tokamak.  

Questo sviluppo potrebbe superare una delle sfide più critiche che i futuri impianti di fusione dovranno affrontare ora e in futuro.

Un disordine 3D dei campi magnetici

Gli scienziati hanno fatto risalire il collasso al disordine 3D di forti campi magnetici. “Abbiamo proposto un nuovo modo per comprendere le linee di campo disordinate, che di solito erano ignorate o mal modellate negli studi precedenti“, ha affermato Min-Gu Yoo, ricercatore post-dottorato presso PPPL e autore principale del nuovo studio.

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I campi magnetici sono usati negli impianti di fusione come sostituti della potente gravità che tiene in atto le reazioni di fusione nei corpi celesti. Tuttavia, negli esperimenti di laboratorio questi campi sono disordinati dall’instabilità del plasma con conseguente plasma super caldo che sfugge rapidamente al confinamento. Il calore che ne deriva può danneggiare le pareti dell’impianto di fusione.

“Nel caso di una grave perturbazione, le linee di campo diventano totalmente disordinate come spaghetti e si collegano rapidamente alla parete con lunghezze molto diverse”, ha detto il fisico ricercatore principale Weixing Wang. “Questo porta l’enorme energia termica del plasma contro la parete”.

Gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando per catturare e dirigere il processo di fusione atomica sulla Terra, al fine di sviluppare una fonte di energia pulita, priva di emissioni di carbonio e possibilmente inesauribile, in grado di generare elettricità.

Una battuta d’arresto che in precedenza era rimasta sconosciuta era la forma 3D, o topologia, delle linee di campo disordinate causate dall’instabilità turbolenta. Questa topologia era alla base della creazione di minuscole “colline” e “valli” in cui alcune particelle mentre le altre si schiantavano contro le pareti della macchina.

“L’esistenza di queste colline è responsabile del rapido collasso della temperatura, il cosiddetto raffreddamento termico, poiché consentono a più particelle di fuoriuscire verso la parete del tokamak”, ha detto Yoo. “Quello che abbiamo mostrato nel documento è come disegnare una buona mappa per comprendere la topologia delle linee di campo. Senza le colline magnetiche, la maggior parte degli elettroni sarebbe rimasta intrappolata e non avrebbe potuto produrre l’estinzione termica osservata negli esperimenti”.

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Simulazione della topologia di raffreddamento termico

Per giungere alle loro conclusioni, gli scienziati del PPPL hanno simulato la topologia dell’estinzione termica come una complessa struttura 3D evitando le semplificazioni eccessive che così spesso fuorviano i fisici. Questa topologia è notoriamente difficile da capire a causa della complessa interazione tra i campi elettrici e magnetici. I ricercatori PPPL hanno utilizzato il codice GTS del Laboratorio per comprendere questa topologia.

Questo codice simula l’effetto dell’instabilità turbolenta sul movimento delle particelle rivelando che il campo elettrico prodotto nelle strutture agisce per calciare le particelle tra le linee del campo magnetico e quindi facilita il movimento risultante delle particelle intrappolate che porta a un’estinzione termica.

“Questa ricerca fornisce nuove intuizioni fisiche su come il plasma perde la sua energia  quando ci sono linee di campo magnetico aperte”, ha affermato Yoo. “La nuova comprensione sarebbe utile per trovare modi innovativi per mitigare o evitare tempeste termiche e interruzioni del plasma in futuro”.

In chimica nucleare e in fisica nucleare, la fusione nucleare è una reazione nucleare nella quale i nuclei di due o più atomi si uniscono tra loro formando il nucleo di un nuovo elemento chimico.

Perché la fusione sia possibile i nuclei devono essere avvicinati tra loro, impiegando una grande energia per superare la repulsione elettromagnetica. La fusione degli elementi fino ai numeri atomici 26 e 28 (ferro e nichel) è una reazione esotermica, cioè emette energia poiché il nucleo prodotto dalla reazione ha massa minore della somma delle masse dei nuclei reagenti. Per gli atomi con numeri atomici superiori la reazione invece è endotermica, cioè assorbe energia. Alcune reazioni (in primo luogo quelle con una soglia di energia più bassa, come la fusione di deuterio e trizio) determinano il rilascio di uno o più neutroni liberi; questo crea, nella prospettiva dello sfruttamento come fonte di energia, alcuni importanti problemi tecnologici legati alla attivazione neutronica e alla schermatura.

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Il processo di fusione di nuclei atomici è il meccanismo alla base delle stelle, rendendo possibile l’emissione di luce e il mantenimento costante delle loro dimensioni impedendone il collasso gravitazionale. La fusione è stata per la prima volta prodotta artificialmente negli anni Cinquanta per amplificare la potenza di una bomba atomica: questo tipo di ordigni è stato chiamato bomba H.

Fonte: Pppl.gov

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