Ricerca sulla fusione: Nuove prospettive sul flusso di ioni energetici.

Ricerche recenti presso la struttura nazionale di fusione DIII-D hanno portato a osservazioni rivoluzionarie sugli ioni energetici nei plasmi di fusione, cruciali per mantenere lo stato di plasma ardente. Questa comprensione migliorata è fondamentale per lo sviluppo di centrali elettriche a fusione e ha implicazioni per la comprensione dei comportamenti del plasma nello spazio, migliorando potenzialmente la affidabilità dei satelliti. Credit: SciTechDaily.com

Nuove osservazioni presso la struttura nazionale di fusione DIII-D offrono importanti approfondimenti sugli ioni energetici nei plasmi di fusione, fondamentali per lo sviluppo dell'energia di fusione e la comprensione del plasma nello spazio, con implicazioni per la tecnologia dei satelliti.

In un plasma ardente, mantenere il confinamento degli ioni energetici prodotti dalla fusione è essenziale per produrre energia. Questi plasmi di fusione ospitano una vasta gamma di onde elettromagnetiche che possono spingere gli ioni energetici fuori dal plasma. Questo riduce il riscaldamento del plasma dai prodotti delle reazioni di fusione e pone fine allo stato di plasma ardente.

Misurazioni recenti presso la struttura nazionale di fusione DIII-D forniscono le prime osservazioni dirette di ioni energetici che si muovono nello spazio e nell'energia in un tokamak. I ricercatori hanno combinato queste misurazioni con modelli informatici avanzati delle onde elettromagnetiche e di come interagiscono con gli ioni energetici. I risultati forniscono una migliore comprensione dell'interazione tra onde del plasma e ioni energetici nei plasmi di fusione.

La fisica dei plasmi e la ricerca sulla fusione si stanno spostando dalle strutture sperimentali verso progetti di centrali elettriche dimostrative. Per rendere questo spostamento un successo, i ricercatori hanno bisogno di simulazioni accurate e di altri strumenti che predicono come si comporteranno i progetti di centrali elettriche. La maggior parte delle strutture attuali non produce plasmi ardenti. Tuttavia, i ricercatori comprendono molta della fisica rilevante e stanno sviluppando simulazioni per riprodurre il comportamento sperimentale osservato.

La ricerca attuale ha effettuato nuove misurazioni del flusso di ioni energetici nel tokamak DIII-D. Ciò accelererà lo sviluppo di modelli che tengono conto di tutte le dinamiche rilevanti delle interazioni onde-ioni.

Questa migliore comprensione consente anche l'applicazione dell'ingegneria dello spazio delle fasi. I ricercatori possono utilizzare questo processo per progettare nuovi scenari di plasma a fusione basati su interazioni ideali previste tra onde e ioni. In particolare, queste interazioni possono anche danneggiare i satelliti, quindi questa ricerca potrebbe contribuire a migliorarne l'affidabilità.

Misure effettuate (a sinistra) e simulazioni (a destra) del flusso di ioni energetici nei plasmi DIII-D. A partire dalle energie iniettate dai fasci neutrali, gli ioni iniettati si muovono nello spazio e nell'energia a causa delle interazioni con le onde elettromagnetiche. Credit: X.D. Du, General Atomics

I ricercatori presso la struttura nazionale di fusione DIII-D, una struttura utilizzatrice del Dipartimento dell'Energia, hanno utilizzato le prime misurazioni di un nuovo sistema diagnostico, l'Analizzatore di Particelle Neutrali ad Immagine (INPA), per osservare il flusso di ioni energetici in un tokamak. Uno sforzo pluriennale per concepire, progettare e costruire l'INPA ha ora fornito la capacità di osservare per la prima volta questo comportamento.

Dopo essere stati iniettati nel tokamak mediante fasci neutrali, gli ioni energetici interagiscono con le onde elettromagnetiche del plasma e fluiscono in energia e posizione attraverso il tokamak. Le simulazioni riproducono il comportamento osservato, dimostrando così l'accuratezza dei modelli di primi principi nella descrizione della fisica sottostante. Una migliore comprensione di queste interazioni onde-particella è rilevante per la progettazione di centrali elettriche a fusione e per la comprensione del comportamento dei plasmi osservati nello spazio esterno.

L'INPA misura l'energia degli ioni energetici iniettati dai fasci neutrali, che hanno energie superiori a quelle del plasma di fondo, nel tempo e nella posizione spaziale dal nucleo del plasma caldo al bordo del plasma freddo, dove gli ioni possono essere persi. In combinazione con simulazioni avanzate ad alte prestazioni che modellano sia lo spettro delle onde elettromagnetiche che le interazioni con gli ioni energetici, questi esperimenti forniscono la comprensione più dettagliata dell'interazione tra onde del plasma e ioni energetici nei plasmi di fusione.

Questa migliore comprensione consente anche ai ricercatori di applicare l'ingegneria dello spazio delle fasi, un processo in cui progettano nuovi scenari di plasma a fusione basati su interazioni ideali previste tra onde e ioni. Questi tipi di interazioni avvengono nello spazio esterno. Ad esempio, le onde ciclotroniche ioniche elettromagnetiche (EMIC) fanno sì che gli elettroni si muovano nello spazio e nell'energia.

In alcuni casi, gli elettroni sono stati accelerati in modo tale da causare malfunzionamenti nei satelliti. Una migliore comprensione dei processi di interazione risonante onda-particella tramite la ricerca sul plasma di fusione contribuisce alle simulazioni del plasma nello spazio esterno, il che potrebbe migliorare l'affidabilità delle future missioni satellitari.