Quando le particelle raggiungono il divertore, colpiscono delle piastre metalliche, si raffreddano e rimbalzano. (Gli atomi che ritornano contribuiscono ad alimentare la reazione di fusione.) Tuttavia, gli esperimenti hanno costantemente rivelato uno squilibrio inatteso. Molte più particelle colpiscono il bersaglio interno del divertore rispetto a quello esterno.

Questa distribuzione non uniforme è ben più di una semplice curiosità. Ha importanti implicazioni per i futuri reattori a fusione. Gli ingegneri devono sapere con precisione dove atterreranno le particelle per poter progettare divertori in grado di resistere a calore e sollecitazioni estreme. Finora, la spiegazione principale si concentrava sulle derive trasversali al campo magnetico, che descrivono come le particelle si muovono lateralmente attraverso le linee del campo magnetico all’interno del divertore. Tuttavia, le simulazioni che includevano solo questo effetto non sono riuscite a riprodurre i risultati sperimentali, sollevando dubbi sull’affidabilità dei modelli nella progettazione dei reattori.

La rotazione del plasma emerge come il fattore mancante

Una nuova ricerca ha svelato un tassello fondamentale del puzzle. Gli scienziati hanno scoperto che la rotazione toroidale, ovvero il movimento del plasma mentre orbita attorno al tokamak, influenza fortemente la destinazione finale delle particelle nel sistema di scarico.

Utilizzando il codice di modellazione SOLPS-ITER, i ricercatori hanno simulato il comportamento delle particelle in una serie di condizioni. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters , hanno dimostrato che le simulazioni corrispondevano alle misurazioni reali solo quando si includeva la rotazione del plasma insieme alle derive trasversali al campo magnetico. Questo allineamento tra modelli ed esperimenti è essenziale per la progettazione di sistemi di fusione in grado di operare in modo affidabile al di fuori del laboratorio.

“In un plasma ci sono due componenti di flusso”, ha affermato Eric Emdee, fisico ricercatore associato presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) e autore principale dello studio. “C’è il flusso trasversale al campo magnetico, in cui le particelle si spostano lateralmente rispetto alle linee del campo magnetico, e il flusso parallelo, in cui si muovono lungo tali linee. Molti sostenevano che il flusso trasversale al campo magnetico fosse la causa dell’asimmetria. Questo articolo dimostra invece che il flusso parallelo, guidato dal nucleo rotante, è altrettanto importante.”

Finalmente le simulazioni corrispondono alla realtà.

Per mettere alla prova la loro idea, il team ha modellato il comportamento del plasma nel tokamak DIII-D in California. Hanno eseguito quattro diversi scenari, attivando e disattivando le derive trasversali al campo magnetico e la rotazione del plasma. I risultati sono stati chiari. Nessuna delle simulazioni corrispondeva ai dati sperimentali finché non è stato aggiunto un ingrediente fondamentale: la velocità di rotazione del nucleo misurata, pari a 88,4 chilometri al secondo.

Una volta inclusi entrambi gli effetti, i modelli hanno riprodotto fedelmente la distribuzione irregolare delle particelle osservata negli esperimenti reali. L’influenza combinata della deriva laterale e della rotazione si è dimostrata molto più forte di ciascun fattore preso singolarmente.

Progettazione di sistemi di fusione per condizioni reali

I risultati evidenziano un’importante connessione tra il nucleo di plasma rotante e il comportamento delle particelle ai margini del sistema. Comprendere con precisione questa relazione sarà fondamentale per prevedere il movimento delle particelle di scarico nei futuri reattori.

Previsioni più accurate significano una progettazione migliore. Grazie a una comprensione più chiara di dove si concentreranno il calore e le particelle, i progettisti possono realizzare divertori più resistenti e più adatti alle reali condizioni operative.

Oltre a Emdee, il team di ricerca comprendeva Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie e Shaun Haskey del PPPL; Raúl Gerrú Migueláñez del Massachusetts Institute of Technology; e Florian Laggner della North Carolina State University.

Questo lavoro è stato finanziato dall’Ufficio per le Scienze dell’Energia da Fusione del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), utilizzando la struttura nazionale di fusione DIII-D, una struttura per utenti dell’Ufficio della Scienza del DOE, nell’ambito dei finanziamenti DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 e DE-SC0019130.