La comprensione dei meccanismi che regolano il confinamento del plasma da fusione rappresenta una delle sfide più complesse per la realizzazione di reattori nucleari efficienti. Un team di ricercatori giapponesi ha ora svelato un fenomeno inaspettato che potrebbe spiegare perché le prestazioni dei reattori sperimentali raggiungano un plateau oltre il quale sembrano non poter migliorare. La scoperta, pubblicata sulla rivista Communications Physics, riguarda l'interazione tra turbolenze di dimensioni diverse all'interno del plasma ad alta temperatura e potrebbe accelerare lo sviluppo dei futuri impianti per la produzione di energia da fusione.
Il gruppo di ricerca, coordinato dal professor Tokihiko Tokuzawa e dal professor Katsumi Ida del National Institute for Fusion Science, insieme al dottorando Tatsuhiro Nasu e al professor Shigeru Inagaki dell'Università di Kyoto, ha sviluppato una sofisticata strumentazione di misurazione capace di osservare simultaneamente vortici turbolenti di scale differenti. Il dispositivo utilizza antenne a onde millimetriche: due antenne blu che monitorano la turbolenza di scala più fine da direzioni diverse, mentre un'antenna verde osserva contemporaneamente la turbolenza di scala maggiore nello stesso punto del plasma.
Gli esperimenti condotti nel Large Helical Device hanno rivelato un comportamento sorprendente. Quando l'intensità della turbolenza di scala maggiore diminuisce improvvisamente, quella della turbolenza di scala minore aumenta in modo inversamente proporzionale. Questo fenomeno, previsto da modelli teorici ma mai osservato sperimentalmente prima d'ora, rappresenta una biforcazione strutturale nel comportamento del plasma confinato.
La chiave per comprendere questo meccanismo risiede nella deformazione dei vortici turbolenti più piccoli. I ricercatori hanno misurato il grado di allungamento di questi vortici osservandoli da due angolazioni diverse, una tecnica che ha permesso di determinare lo stato del campo elettrico circostante. Questo campo elettrico costituisce il flusso di forza che definisce le condizioni di fondo in quella specifica regione del plasma.
Il modello teorico che spiega queste osservazioni suggerisce che i vortici di dimensioni ridotte vengano allungati e soppressi dal campo elettrico generato dai vortici più grandi. Quando questi ultimi si indeboliscono, i vortici più piccoli perdono la loro deformazione e iniziano a svilupparsi liberamente. È proprio questa crescita della turbolenza di scala fine che potrebbe rappresentare il fattore limitante nelle prestazioni di confinamento, impedendo miglioramenti oltre una certa soglia nonostante la riduzione della turbolenza di scala maggiore.
Le implicazioni di questa scoperta sono particolarmente rilevanti per il progetto ITER, il reattore termonucleare sperimentale internazionale attualmente in costruzione. Nel plasma in combustione che ITER dovrà generare, il meccanismo di riscaldamento sarà dominato dalle particelle alfa prodotte dalle reazioni di fusione. In queste condizioni, i vortici turbolenti di scala fine saranno eccitati con maggiore intensità rispetto agli esperimenti attuali, esercitando un'influenza più marcata sul trasporto e sul confinamento del plasma.
La comunità scientifica internazionale sta attualmente dedicando notevoli sforzi alla verifica sperimentale di questi fenomeni su scala ridotta. Il gruppo giapponese ha anticipato questa esigenza sviluppando tecniche di misurazione innovative che hanno permesso non solo di chiarire la risposta della turbolenza, ma anche di stabilire un metodo per verificare l'entità dell'allungamento dei vortici. Questa capacità di misurare con precisione estrema ha reso possibile l'osservazione diretta di un fenomeno fino a oggi confinato nel regno delle simulazioni teoriche.
Recenti studi teorici condotti con supercomputer di grande potenza avevano suggerito la possibilità di interazioni cross-scale tra turbolenze di dimensioni diverse. L'osservazione sperimentale documentata ora per la prima volta conferma queste previsioni e dovrebbe accelerare il perfezionamento dei modelli teorici utilizzati per progettare i reattori a fusione del futuro. Il miglioramento di questi modelli si tradurrà direttamente in prestazioni superiori degli impianti di prossima generazione.
Al di là delle applicazioni nella fusione nucleare controllata, questa ricerca offre contributi significativi alla fisica del plasma in senso più ampio. L'interazione tra turbolenze a scale diverse e i cambiamenti strutturali improvvisi nei vortici turbolenti rappresentano fenomeni studiati non solo nei plasmi di laboratorio, ma anche in quelli cosmici. Le osservazioni dettagliate ottenute nel plasma ad alta temperatura del Large Helical Device potrebbero quindi contribuire alla comprensione di fenomeni astrofisici e di altri ambiti della fisica del plasma.
La tecnica di misurazione simultanea da direzioni multiple rappresenta un avanzamento metodologico significativo. Consentendo di catturare le variazioni nella deformazione dei vortici turbolenti mentre questi evolvono, i ricercatori hanno aperto una finestra su dinamiche fino a oggi invisibili. Questo approccio potrebbe trovare applicazione nello studio di altri sistemi complessi caratterizzati da fenomeni multi-scala, dove l'interazione tra strutture di dimensioni diverse determina il comportamento complessivo del sistema.