Gli scienziati hanno scoperto perché la fusione si estingue rapidamente

La fusione è il processo di combinazione di atomi più leggeri in atomi più pesanti, ad esempio due isotopi dell’idrogeno in elio. In questo processo, la massa totale dei prodotti di fusione appena creati è inferiore alla somma delle masse degli atomi che sono entrati nella fusione. Questa differenza di massa, secondo la famosa equazione di Einstein E = mc^{2, viene convertita in energia. Poiché c è la velocità della luce, ed è enorme, c2 è un grande fattore da cui segue che una piccola massa è sufficiente per creare una grande quantità di energia.}

Quindi, la fusione può produrre un’enorme energia da piccole quantità di atomi, ed è pulita, perché sono coinvolti gli isotopi dell’idrogeno e il prodotto è l’elio, quindi un combustibile non radioattivo, a differenza dell’uranio usato nella fissione . A causa di queste proprietà, la fusione dovrebbe diventare l’energia del futuro.

Gli scienziati hanno quindi cercato per decenni di ottenere reazioni di fusione stabili. Ma quel processo inizia solo in condizioni estreme.La più grande sfida tecnologica della fusione è che il combustibile deve poter essere ben controllato a temperature enormi, cioè in condizioni simili a quelle al centro del Sole. Non è un problema realizzarli in un’esplosione nucleare perché il suo scopo è la distruzione, ma il problema è farlo in condizioni controllate e per lungo tempo, che è necessario per la generazione di energia nelle centrali termoelettriche. Ad esempio, la temperatura nel cuore del plasma negli esperimenti di fusione è di circa 150 milioni di gradi Celsius, che è circa 10 volte superiore alla temperatura al centro del Sole. A temperature così elevate, gli atomi di idrogeno hanno energia cinetica sufficiente, cioè una velocità sufficientemente alta per avvicinarsi tra loro in modo che possa avvenire la fusione, cioè l’unione di nuclei sotto l’azione della forza nucleare forte

Che cosa ha mostrato una nuova ricerca?

Uno dei principali tipi di reattori utilizzati per le reazioni di fusione è il tokamak. È un dispositivo il cui contenitore ha la forma di una ciambella americana con un foro. Utilizza potenti magneti per controllare un flusso circolare di plasma super caldo dove può verificarsi la fusione. Ma, sfortunatamente, i tokamak sono soggetti a un calo di calore improvviso e difficile da spiegare.

Our fisico nucleare dell’Istituto Ruđer Bošković, dott. Tonči Tadić afferma che questi processi non sono lineari e difficili da prevedere.

“Esempi di modalità H o ‘Modalità ad alta compressione’, ovvero una combinazione favorevole di campi magnetici che consentono la compressione del plasma necessario per l’inizio della fusione, sono stati completamente scoperti accidentalmente in Germania alla fine degli anni ’80 Oggi, la modalità H è comune sul tokamak più grande d’Europa, JET, nell’Oxfordshire, Regno Unito, e la modalità H sarà utilizzata anche sul più grande tokamak del mondo reattore a fusione, l’ITER da 15 miliardi di euro, che è in costruzione a Cadarache in Francia. Ma anche la modalità H non è priva di problemi. Vale a dire, la compressione del plasma può portare a esplosioni indesiderate chiamate “Modalità edge localizzata” o ELM. La loro struttura è simile a protuberanze o bagliori sulla superficie del Sole, il che è del tutto logico perché in fusione ed è l’obiettivo di portare un pezzo di Sole sulla Terra. Ma proprio come i rigonfiamenti sul Sole non sono prevedibili, gli ELM non sono facili da prevedere anche se possono causare gravi danni alle pareti di un reattore a fusione. Una nuova ricerca americana offre la speranza che gli ELM possano essere prevedere”, spiega Tadić.

Il modello 3D ha rivelato la spaghettizzazione delle particelle

In un nuovo studio, gli scienziati del Plasma Il Physics Laboratory (PPPL) negli Stati Uniti ha sviluppato un modello 3D di linee di campo magnetico disordinate per vedere come la loro forma influenzi la risposta. Finora, studi simili hanno utilizzato modelli unidimensionali eccessivamente semplificati delle centrali elettriche.

Il modello 3D non era di facile comprensione a causa delle complesse interazioni che avvengono tra i campi elettrico e magnetico in il reattore. Tuttavia, il team PPPL ha sviluppato un codice speciale per simulare il movimento delle particelle di plasma al fine di decifrare cosa stava accadendo.

I risultati hanno mostrato che nel campo magnetico del tokamak si formavano minuscole colline che consentire alle particelle di plasma di fuoriuscire dal campo di uno spazio limitato e colpire le pareti del reattore con enormi quantità di energia termica.

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“L’esistenza di queste colline responsabili di un rapido abbassamento della temperatura, il cosiddetto Thermal Quench, poiché consentono a numerose particelle di fuoriuscire verso le pareti del tokamak”, Min-Gu Yoo, autore dello studio che descrive la modellazione 3D, ha affermato in un comunicato stampa PPPL.

“Quello che abbiamo mostrato nel documento è come disegnare una buona mappa per comprendere la topologia delle forze di campo, ” ha aggiunto.

Il collaboratore di Yo, il fisico Weixing Wang, ha dichiarato:

“In caso di forte perturbazione, le linee di campo si disgregano completamente come spaghetti e si collegano rapidamente alle pareti di diverse lunghezze.”

L’identificazione di queste colline nelle forze del campo magnetico è un passaggio importante che dovrebbe consentire di evitare disturbi, ad esempio EML nel plasma. Ciò consentirebbe reazioni di fusione stabili e pacifiche per un periodo di tempo più lungo, che è un fattore chiave per l’utilizzo dell’energia di fusione per generare elettricità.

Tadić afferma che l’obiettivo dello sviluppo della tecnologia di fusione non è lo spettacolare produzione di energia di fusione che pone fine alla spettacolare eruzione del plasma e alla distruzione del reattore a fusione, ma il funzionamento stabile del reattore a fusione basato sul movimento stabile del plasma di fusione caldo, che a sua volta garantisce il funzionamento stabile ea lungo termine della potenza di fusione

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