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Mastering the energetic particle distribution in a magnetohydrodynamic active plasma

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Promuovere il potenziale della fusione per la produzione di energia

La crescente necessità di energia economica e sostenibile rappresenta una sfida particolare. Gli scienziati europei del progetto FIREFELM hanno lavorato per migliorare il potenziale della fusione nucleare ai fini della generazione di energia.

Ricerca di base
Spazio

La fusione nucleare ha il potenziale per sostituire le fonti energetiche fossili e coprire il fabbisogno energetico della popolazione mondiale. È il processo che alimenta il Sole e le stelle. L’energia viene prodotta fondendo insieme due isotopi di idrogeno, il deuterio estratto dall’acqua e il trizio, estratto dalla crosta terrestre. Per replicare questo processo sulla Terra, tuttavia, sono necessarie temperature estremamente elevate per ionizzare completamente gli atomi di fusione. Ciò avviene in dispositivi di fusione a confinamento magnetico (tokamak e stellarator) che sfruttano l’energia di fusione come calore e la convertono in vapore e quindi in elettricità attraverso turbine e generatori. Tuttavia, l’intero processo è caratterizzato da instabilità magnetoidrodinamiche note come ELM (Edge Localised Modes) che provocano perdita di calore e particelle e limitano la durata di questi reattori a fusione.

Indagare sui fenomeni ELM

Con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, gli scienziati del progetto FIREFELM, finanziato dall’UE, hanno studiato il fenomeno delle instabilità ELM combinando misurazioni ad alta risoluzione con strumenti numerici all’avanguardia. «Le ELM espellono dal plasma particelle ed energia simili ai brillamenti solari che si verificano ai margini del sole. Comprendere e controllare o addirittura sopprimere le ELM è fondamentale per la buona riuscita della fusione» spiega la ricercatrice Eleonora Viezzer. I ricercatori di FIREFELM hanno modellato i canali di trasporto all’interno di un tokamak, facendo luce sul comportamento dinamico dei coefficienti di trasporto durante il ciclo ELM. Hanno scoperto che il trasporto di calore di ioni ed elettroni si recupera su scale temporali diverse, con un recupero più lento da parte degli elettroni. Ciò ha indicato che l’esaurimento dell’energia causato dalle ELM ritarda il recupero del gradiente termico dell’elettrone. I risultati hanno anche suggerito che il plasma centrale potrebbe dettare la dinamica locale del recupero del gradiente termico degli elettroni durante il ciclo ELM. Inoltre, gli scienziati hanno identificato un meccanismo risonante tra le orbite del fascio ionico e i campi elettrici paralleli che potrebbero essere associati alle instabilità ELM. Per la prima volta, sono stati in grado di osservare l’accelerazione dei fasci ionici sul tokamak di aggiornamento ASDEX. Attraverso simulazioni numeriche di ioni veloci (particelle con energia sovratermica) e un modello analitico, i ricercatori hanno riprodotto qualitativamente le osservazioni sperimentali.

Impatto e prospettive future del lavoro del progetto FIREFELM

La fusione può fornire una fonte di energia pulita, sicura e sostenibile priva di emissioni di carbonio. Il deuterio è disponibile nei nostri oceani e il trizio si conserva nel litio, che è disponibile nella crosta terrestre, rendendo la fusione una fonte di energia praticamente illimitata. È in corso un grande tentativo internazionale ITER volto a promuovere il processo di fusione e tradurre le macchine tokamak esistenti nelle centrali a fusione del futuro. Se si considera che le instabilità ELM rappresentano un grave ostacolo al funzionamento in regime stazionario di questi futuri dispositivi di fusione, il lavoro del progetto FIREFELM diventa fondamentale per mitigare questi fenomeni. «L’identificazione dei meccanismi di trasporto dominanti ci aiuterà a comprendere meglio il ciclo ELM e a sviluppare regimi di confinamento elevati senza ELM», continua Viezzer. I risultati di FIREFELM migliorano la nostra comprensione dell’accelerazione e del trasporto di particelle osservati nella corona solare e contribuiscono a individuare le somiglianze tra tokamak e plasmi astrofisici. Viezzer sta proseguendo su questo filone di ricerca verso lo sviluppo di tecniche di controllo delle instabilità ELM attraverso la sovvenzione di avviamento CER 3D-FIREFLUC.

Parole chiave

FIREFELM, fusione, Edge Localized Mode (ELM), tokamak, deuterio, trizio

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