RF-Specific Tungsten Erosion and Global Transport in ITER under Neon Seeding

All'interno della massiccia macchina a forma di ciambella nota come reattore a fusione, gli scienziati stanno cercando di ricreare la potenza del sole. Per farlo, devono riscaldare una nuvola di gas, chiamata plasma, a temperature molto più calde del nucleo del sole. Uno degli strumenti più potenti per riscaldare questo plasma è un sistema che lo colpisce con onde radio ad alta frequenza, simili all'energia utilizzata in un microonde ma su una scala vastamente diversa. Tuttavia, queste onde potenti possono talvolta comportarsi in modo imprevedibile quando colpiscono le pareti metalliche del reattore. Proprio come un segnale radio può creare interferenze in un altoparlante, queste onde possono accumulare forti campi elettrici proprio sulla superficie dei componenti della macchina. Se questi campi diventano troppo forti, possono agire come un violento acceleratore, scagliando atomi dalle pareti del reatore contro il plasma e potenzialmente avvelenando la reazione.

L'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è il più grande tentativo al mondo di costruire una centrale a fusione funzionante. Utilizzerà un metallo speciale chiamato tungsteno per le sue pareti interne perché il metallo può resistere al calore estremo. Ma il tungsteno è pesante, e anche una minuscola quantità di esso che fluttua nel plasma super-caldo può raffreddare la reazione e interrompere la produzione di energia. Gli scienziati sapevano da tempo che le onde radio utilizzate per riscaldare il plasma potrebbero causare l'usura delle pareti di tungsteno, ma mancava loro un quadro completo di esattamente quanto danno si sarebbe verificato o di dove sarebbe finito il materiale consumato. Un nuovo studio condotto da ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory, dell'Organizzazione ITER e di diverse altre istituzioni ha finalmente colmato questi vuoti. Costruendo un sofisticato modello informatico che simula l'intero ambiente del reattore, hanno previsto esattamente come le onde radio interagiscono con le pareti e quanto tungsteno verrà eroso nelle specifiche condizioni che l'ITER intende utilizzare.

I ricercatori si sono concentrati su uno scenario in cui il reattore è riempito con gas neon, una tecnica utilizzata per aiutare a gestire l'intenso calore che fluisce dal plasma. In questo ambiente, le onde radio creano un complesso campo elettrico invisibile proprio accanto all'antenna che invia le onde nel plasma. Questo campo agisce come una rampa, accelerando gli ioni — atomi carichi del gas neon e del combustibile stesso — verso le pareti di tungsteno. Quando questi ioni ad alta velocità colpiscono la parete, staccano atomi di tungsteno. Il team ha utilizzato un framework di simulazione dettagliato chiamato STRIPE per tracciare questo processo dall'inizio alla fine. Hanno combinato un modello del flusso del plasma con calcoli su come si comportano le onde radio, come accelerano gli ioni e come si muovono attraverso la macchina gli atomi di tungsteno staccati.

I risultati della simulazione sono stati sorprendenti. Sotto l'influenza delle onde radio, i campi elettrici vicino alle pareti dell'antenna possono raggiungere tensioni fino a 3.000 volt. Questo è molto più alto dei campi elettrici naturali che esistono nel plasma senza le onde radio. A causa di questa spinta extra, la quantità di tungsteno che viene staccata dalle pareti aumenta drasticamente. Lo studio ha scoperto che la quantità totale di tungsteno eroso dall'area dell'antenna è circa 64 volte superiore rispetto a quando le onde radio non sono presenti. Ciò crea una fonte di circa 3,34 miliardi di miliardi di atomi di tungsteno ogni secondo. Tuttavia, la storia non finisce con l'erosione. I ricercatori hanno anche tracciato dove vanno questi atomi. Hanno scoperto che circa il 90 percento del tungsteno eroso esce dall'area immediata e viaggia nel resto del reattore, mentre solo circa il 10 percento torna sulla parete nelle vicinanze.

Forse la scoperta più sorprendente non è stata solo quanta quantità di tungsteno è andata perduta, ma cosa stava effettuando l'urto. Gli scienziati avevano ipotizzato che gli atomi di neon con la carica più elevata sarebbero stati i principali responsabili, poiché avrebbero guadagnato la maggiore velocità dai campi elettrici. Inveve, la simulazione ha mostrato che un mix di atomi di neon con livelli di carica bassi e medi era responsabile della maggior parte del danno. Ciò è accaduto perché c'erano semplicemente molti più atomi con carica moderata che colpivano la parete, anche se ogni singolo atomo colpiva con meno forza rispetto a quelli con carica elevata. Lo studio ha anche rivelato che la posizione del danno peggiore non era esattamente dove il campo elettrico era più forte. L'erosione era massima dove il forte campo elettrico si sovrapponeva a un'alta densità di particelle di plasma in entrata. Fu la combinazione di una forte spinta e di una folla densa di particelle a causare l'usura maggiore, piuttosto che il solo campo elettrico.

Nonostante l'enorme aumento dell'erosione causato dalle onde radio, i ricercatori hanno concluso che questa specifica fonte di tungsteno non è probabile che sia il problema principale per il reattore. Quando hanno confrontato la quantità di tungsteno proveniente dall'antenna con quella proveniente dalle restanti pareti del reattore, il contributo dell'antenna era minimo. L'erosione dall'antenna era circa 1.000 volte inferiore all'erosione dalla parte inferiore del reattore (il divertore) e oltre 100 volte inferiore all'erosione dalle pareti della camera principale. Anche con le onde radio che rendono l'antenna una fonte di tungsteno molto più attiva, la quantità totale di metallo che entra nel plasma da quest'area rimane sufficientemente piccola da non dover dominare la contaminazione complessiva del reattore.

Lo studio ha anche esaminato come gli atomi di tungsteno si muovono attraverso il reattore dopo essere stati staccati. Dopo appena una frazione di secondo, circa il 22 percento degli atomi di tungsteno mobili che erano entrati nel plasma si trovava nella regione confinata dove avviene la reazione di fusione. Ciò corrisponde a una concentrazione molto bassa, suggerendo che, sebbene le onde radio creino una fonte locale di impurità, il flusso naturale del plasma è efficace nel diluirle. Il lavoro dimostra che prevedere il comportamento di un reattore a fusione richiede di guardare l'intero sistema insieme. Non è possibile calcolare semplicemente quanto una parete si eroda in un punto; bisogna capire come le onde radio, il flusso del plasma, i campi magnetici e il movimento delle impurità interagiscano tutti tra loro. Collegando con successo questi diversi processi fisici, i ricercatori hanno fornito un potente nuovo strumento per progettare i futuri reattori. Le loro scoperte suggeriscono che, sebbene le onde radio causeranno un'usura locale significativa sull'antenna, non sommergeranno il reattore con il tungsteno, dando agli ingegneri la fiducia che il design dell'ITER possa gestire efficacemente queste interazioni.