I fisici dell’EPFL, in un’importante collaborazione europea, hanno rivisto una delle leggi fondamentali che è stata al centro della ricerca sul plasma e sulla fusione per più di tre decenni, regolando anche la progettazione di megaprogetti come ITER. L’aggiornamento mostra che possiamo effettivamente utilizzare in sicurezza più combustibile a idrogeno nei reattori a fusione, ottenendo così più energia di quanto si pensasse in precedenza.

La fusione è una delle fonti più promettenti di energia futura. Comprende due nuclei atomici che si combinano in un nucleo, rilasciando così enormi quantità di energia. In effetti, stiamo testando fusione Ogni giorno: nasce dal calore del sole nuclei di idrogeno Fusione in atomi di elio più pesanti.

Attualmente esiste un vasto progetto di ricerca internazionale sulla fusione chiamato ITER, che mira a replicare i processi di fusione del Sole per generare energia sulla Terra. Il suo obiettivo è produrre un plasma ad alta temperatura che fornisca l’ambiente giusto per la fusione e per la produzione di energia.

Il plasma, uno stato di materia ionizzata simile a un gas, è costituito da nuclei carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente ed è un milione di volte meno denso dell’aria che respiriamo. Il plasma si forma soggiogando il “combustibile da fusione” –atomi di idrogeno—a temperature estremamente elevate (10 volte la temperatura del nucleo solare), costringendo gli elettroni a separarsi da esso nuclei atomici. La lavorazione avviene all’interno di una struttura a forma di ciambella (“anulare”) denominatatokamak. “

Lo afferma Paolo Ricci allo Swiss Plasma Center, uno dei principali istituti di ricerca mondiali nel campo della fusione con sede nell’EPFL.

Con un’importante collaborazione europea, il team di Ricci ha ora pubblicato uno studio per aggiornare il principio fondamentale della generazione del plasma e per dimostrare che il prossimo tokamak ITER può effettivamente funzionare con una quantità doppia di idrogeno e quindi generare più energia di fusione di quanto si pensasse in precedenza.

“Uno dei limiti nella produzione del plasma all’interno del tokamak è la quantità di idrogeno che puoi iniettare in esso”, afferma Ritchie. “Fin dai primi giorni della fusione, abbiamo saputo che se provi ad aumentare la densità del carburante, a un certo punto ci sarà quella che chiamiamo ‘interruzione’: in pratica perdi completamente il limite e il plasma va via ovunque sia. Negli anni ’80, le persone cercavano di inventare una sorta di legge che potesse prevedere la massima densità di idrogeno che puoi inserire in un tokamak”.

La risposta arrivò nel 1988, quando lo scienziato della fusione Martin Greenwald pubblicò una famosa legge relativa alla densità del carburante al piccolo raggio del tokamak (il raggio del cerchio interno di una ciambella) e alla corrente che scorre nel plasma all’interno del tokamak. Da allora, il “limite di Greenwald” è diventato un principio centrale della ricerca sulla fusione; In effetti, la strategia di costruzione del tokamak di ITER si basa su questo.

“Greenwald ha derivato la legge empiricamente, cioè da dati sperimentali“Non è una teoria testata, o ciò che chiamiamo ‘principi primi'”, spiega Ritchie. Tuttavia, il limite ha funzionato bene nella ricerca. E in alcuni casi, come DEMO (il successore di ITER), questa equazione è praticamente un limite alla sua corsa perché afferma che non è possibile aumentare l’intensità del carburante oltre un certo livello”.

In collaborazione con i team del tokamak, lo Swiss Plasma Center ha progettato un esperimento in cui è possibile utilizzare una tecnologia altamente avanzata per controllare con precisione la quantità di carburante iniettato nel tokamak. Le massicce prove sono state condotte presso il più grande tokamak del mondo, il Joint European Tokamak (JET) nel Regno Unito, nonché l’aggiornamento ASDEX in Germania (Max Planck Institute) e il tokamak TCV dell’EPFL. Questo importante sforzo sperimentale è stato reso possibile dall’EUROfusion Consortium, l’organizzazione europea che coordina la ricerca sulla fusione in Europa e in cui l’EPFL è ora coinvolto attraverso il Max Planck Institute for Plasma Physics in Germania.

Allo stesso tempo, Maurizio Giacomene, Ph.D. Studente nel gruppo di Ricci, iniziò ad analizzare i processi fisici limitanti la densità nei tokamak, al fine di derivare una legge di primo principio che potesse mettere in relazione la densità dei combustibili con il volume dei tokamak. Parte di ciò comporta l’utilizzo di una simulazione avanzata del plasma utilizzando un modello computerizzato.

“Le simulazioni sfruttano alcuni dei computer più grandi del mondo, come quelli resi possibili da CSCS, Centro nazionale svizzero per il supercalcolo ed EUROfusion”, afferma Ritchie. “E quello che abbiamo scoperto, attraverso le nostre simulazioni, è che quando si aggiunge più carburante al plasma, parti di esso viaggiano dallo strato freddo esterno del tokamak, il confine, al suo nucleo, perché il plasma diventa più turbolento. Quindi, a differenza del fili elettrici di rame, che diventano più resistenti quando riscaldati, il plasma diventa più resistente quando si raffredda.Quindi, più carburante ci metti alla stessa temperatura, parti di esso si raffreddano e diventa più difficile che la corrente fluisca nel plasma, che può portare a turbolenza”.

Era una sfida da simulare. “La turbolenza in un fluido è in realtà la questione aperta più importante nella fisica classica”, afferma Ritchie. “Ma c’è il trambusto plasma Più complicato perché hai anche campi elettromagnetici”.

Alla fine, Ritchie e i suoi colleghi sono stati in grado di decifrare il codice e mettere “penna su carta” per ricavare una nuova equazione per il limite massimo di carburante al tokamak, che si allinea bene con gli esperimenti. pubblicato in Lettere di revisione fisicarende giustizia ai limiti di Greenwald, avvicinandosi ad esso, ma li aggiorna in modi importanti.

La nuova equazione presuppone che il limite di Greenwald possa essere innalzato circa due volte in termini di carburante a ITER; Ciò significa che i tokamak come ITER possono effettivamente utilizzare il doppio del carburante per produrre plasma senza preoccuparsi della turbolenza. “Questo è importante perché mostra che l’intensità che puoi ottenere in un tokamak aumenta con la potenza necessaria per eseguirlo”, afferma Ritchie. In effetti, DEMO funzionerà a una potenza molto più elevata rispetto ai tokamak e a ITER esistenti, il che significa che puoi aggiungere più carburante Densità senza limitare la produzione, contrariamente alla legge di Greenwald. Questa è un’ottima notizia”.