Fusione calda: aggiornamenti

( In alto: Il tokamak TVC realizzato a Losanna)


Nel silenzio generale dei media prosegue l'avventura scientifica e tecnologica della fusione nucleare calda, l'impresa che potrebbe aprire nuove prospettive all'umanità, grazie alla possibilità di ottenere energia pulita, priva di emissioni e sempre disponibile. Mentre i verdi e i cosiddetti movimenti ecologisti si gingillano con le energie "rinnovabili", una pia illusione che non riesce a decollare nonostante si cerchi di estrarre energia dal sole e dal vento ormai da quasi settanta anni, alcune migliaia di ricercatori sono all'opera per realizzare la macchina in grado di riprodurre sulla terra l'energia che si genera nel nucleo delle stelle.

Nel 2014 nel Lawrence Livermore Laboratory in California, il professor Omar Hurricane è riuscito ad innescare una reazione di fusione in una micro bolla di gas di deuterio e trizio su cui hanno sparato contemporaneamente 192 laser immettendovi l'energia necessaria a riprodurre le condizioni di pressione e temperatura del centro di una stella: l'energia ottenuta è risultata di poco superiore a quella immessa dimostrando così la fattibilità tecnica della reazione di fusione.

In Europa prosegue a ritmi sostenuti la costruzione a Cadarache, nel sud della Francia, del primo prototipo funzionante di un mega reattore a fusione calda fornito di una camera toroidale di grandi dimensioni  per l'isolamento e confinamento elettromagnetico del plasma (tokamak), a cui partecipano numerosi paesi - tra cui Stati Uniti, Cina, India, Europa, Russia, Brasile ecc.) - riuniti nel progetto denominato ITER. Si è ormai realizzata l'infrastruttura base ed è stato recentemente piazzato il megatrasformatore realizzato dalla Hyundai per regolare l'immissione delle quantità di corrente elettrica ai voltaggi necessari al funzionamento della macchina. Tra poco si procederà all'assemblaggio della camera toroidale con i suoi rivestimenti speciali destinati a contenere i neutroni ad alta energia generati nel plasma e a restituire parte dell'energia ad esso. La realizzazione degli speciali pannelli ha richiesto studi avanzati in quanto i pannelli debbono assicurare un perfetto isolamento dei neutroni, una buona durata nel tempo e permettere un facile ricambio del rivestimento interno. Ugualmente complessa è stata la progettazione e realizzazione  delle spire di superconduttori necessari a generare i potenti  campi magnetici per il confinamento del plasma, in gran parte studiati e prodotti nel nostro paese.

Paradossalmente le novità più importanti sulla Fusione calda non vengono però dagli Stati Uniti o dal progetto ITER che si sta realizzando in Francia, ma da Losanna in Svizzera. E' qui infatti che -sempre nel disinteresse generale dei mezzi di comunicazione - si è in gran parte realizzata una importante iniziativa , inizialmente collegata al progetto ITER, costruendo una versione dinamica del sistema di confinamento magnetico del plasma nella camera toroidale.   Gli interessanti risultati prodotti nella macchina sperimentale hanno assunto  sempre  più autonomia rispetto al progetto originale, aprendo nuove prospettive di sviluppo per la fusione. Si tratta del Tokamak TCV  (Tokamak a Configurazione Variabile) costruito a Losanna attraverso la collaborazione di numerosi scienziati di varie nazionalità. Le notizie che seguono sono tratte in gran parte dalle specifiche tecniche del sito ufficiale del Tokamak TVC di Losanna all'indirizzo: http://crpp.epfl.ch/research_TCV.
La macchina, di dimensioni assai inferiori rispetto a quella progettata a Cadarache, è stata concepita per ottimizzare i sistemi di confinamento magnetico in programma per ITER. A questo scopo i ricercatori a Losanna hanno cercato di esplorare la fisica dei plasmi confinati, progettando un sistema che consente di variare  la sagomatura del plasma attraverso  le forze del campo magnetico con speciali bobine mobili azionate indipendentemente (comprese due bobine interne per il controllo verticale). La sagomatura variabile del plasma assicura che le reazioni di fusione vengano sempre ottimizzate ai massimi livelli di resa energetica, in quanto consentono un miglior riscaldamento del plasma e una sua migliore concentrazione quando richiesto. Allo scopo di assicurare un riscaldamento efficace e stabile del plasma si è creato uno strumento unico -mai prima realizzato- vale a dire un Ciclotrone da 4,5 MW di potenza, denominato ECRH ( Electron Cyclotron Resonance Heating) che è fornito di un sistema di onde elettromagnetiche distribuito su due frequenze (seconda e terza armonica) e sette emettitori controllabili in tempo reale da un software che interagisce con i rilevatori della stato del plasma. Il sistema di microonde risulta così altamente versatile e in grado di adattarsi allo stato e alla configurazione del plasma momento per momento. L'accoppiamento di microonde elettromagnetiche risonanti al plasma è il metodo più comune di riscaldamento del plasma. Se la condizione di risonanza è soddisfatta, la frequenza delle microonde eccita una delle frequenze proprie del plasma e le onde trasferiscono energia al plasma stesso.
Quando la frequenza delle microonde è uguale alla girofrequenza degli elettroni del plasma (cioè pari alla frequenza di rotazioni degli elettroni nel campo magnetico che confina il plasma), o alle sue armoniche, si ha un effetto di riscaldamento supplementare del plasma primario: la corrente elettrica provoca riscaldamento del plasma per effetto Joule. Inoltre quando l'onda elettromagnetica risonante ha una componente parallela al campo elettrico, può supportare una corrente elettrica nel plasma stesso. Questa corrente generantesi nel plasma viene definita ECCD (Electron Cyclotron Corrente Drive). Il reattore TCV di Losanna con il suo sistema di ECRH-ECCD composto da 9 girotroni (4.3 MW) è stata la prima macchina al mondo che ha generato corrente nel plasma sufficiente a innescare "scatti" di reazioni senza ricorrere a corrente indotta dall'esterno del Tokamak, determinando al contempo uno stato energetico stazionario e stabile. Sono previste ulteriori innovazioni nel TCV, in particolare un aumento di potenza di tre volte del sistema ECRH-ECCD nonché l'installazione di polarizzatori veloci sulla linea di trasmissione delle correnti interne.
Il confinamento magnetico variabile ha consentito una migliore interazione onda-particelle, una migliore distribuzione della velocità degli elettroni in fase e una stabilizzazione dei parametri del plasma. Molti esperti stanno analizzando i risultati e proponendo ulteriori innovazioni che dovrebbero avere ricadute anche sul progetto ITER e su progetti alternativi di macchine per la fusione calda controllata; progetti che si spera possano passare in breve alla fase di realizzazione di prototipi destinati alla messa a punto di reattori destinati alla futura commercializzazione. La retroazione sul plasma mediante Hardware di controllo è in via di costante miglioramento. Una prima conseguenza di quanto si è fatto a Losanna è che i futuri tokamak saranno tutti a confinamento variabile e a corrente generata internamente al sistema. Allo scopo si sta migliorando il sistema degli emettitori aumentando la potenza delle microonde lanciate perpendicolarmente al campo magnetico. Si cerca inoltre di azzerare la resistenza interna al plasma al flusso di elettroni il che permetterà di azzerare completamente l'immissione di corrente elettrica dall'esterno. In condizioni appropriate, il plasma evolve spontaneamente verso uno stato quiescente stazionario, con un punto di stabilità che coincide con una configurazione ristretta della sagomatura del plasma. La comprensione dei fenomeni fisici fondamentali che avvengono nel plasma di fusione è ancora in una fase aperta ed è essenziale proseguire gli studi al fine di fornire una interpretazione dei risultati sperimentali e offrire suggerimenti per migliorare i dispositivi attuali e futuri. I plasmi sono soggetti a stati tipicamente turbolenti e presentano comportamenti complessi, molto più complessi che i fluidi neutri standard, perché interagiscono costantemente con i campi elettrici e magnetici. Sono necessari potenti computer e teorie analitiche avanzate delle dinamiche del plasma, per migliorare la comprensione delle instabilità dello stato interno del tokamak e delle configurazioni in 3 D possibili del plasma.
La strada per la produzione di reattori a fusione calda in grado di fornire quantità enormi di energia pulita, priva di emissioni di carbonio e senza scorie radioattive, è tracciata, anche grazie al lavoro dei ricercatori di Losanna. Se il loro lavoro avrà successo il mondo chiuderà l'era del petrolio con tutti i suoi disastri e le drammatiche conseguenze ambientali, per vedere aprirsi una nuova era in cui l'energia sarà a disposizione di tutte le nazioni, per una maggiore opportunità di coniugare sviluppo tecnologico e tutela ambientale. Si ridisegneranno gli equilibri geo-politici e si apriranno nuove prospettive. La fusione calda può rappresentare la via di uscita per il pianeta dal  riscaldamento globale che sta già sciogliendo i poli e alterando il clima, mettendo a rischio migliaia di specie viventi, tra cui la nostra,     come dicono gli ultimi rilevamenti e gli appelli degli stessi esperti dell'Onu. La svolta potrebbe essere vicina.