In arrivo la fusione tedesca

Al Max Plank Institut fur Plasmaphysic di Greifswald (Germania) sono vicini all'accensione del reattore a fusione, denominato Wendelstein 7-x. La macchina è stata completata l'anno scorso e ora fervono i preparativi per la verifica sperimentale della fusione e soprattutto del suo mantenimento. Il problema principale nella gestione della fusione nucleare non è innescare la fusione in sé, quanto riuscire a controllarla e mantenerla nel tempo: bisogna infatti governare le temperature altissime (100 milioni di gradi Celsius, circa 7 volte la temperatura del centro del Sole) alle quali deve essere portato il plasma affinché gli atomi possano fondersi e generare in tal modo energia. A tale scopo il sistema Wendelstein 7-x è un miglioramento del sistema tomawak di confinamento magnetico. Mentre il Tomawak (come quello del progetto ITER in costruzione a Cadarache) prevede una camera toroidale di confinamento magnetico fisso, il sistema tedesco denominato "Stellarator" presenta una camera a conformazione del tipo "a torsione" che possiede un campo variabile comandato da un software con lo scopo di mantenere costante la pressione e la temperatura del plasma reagente nella fusione. Nel Tomawak le spire che creano il campo magnetico hanno un problema: poiché gli avvolgimenti del filo sono più vicini all'interno del foro della ciambella, il campo magnetico è più forte al centro e più debole verso il bordo esterno della ciambella. Lo squilibrio provoca particelle alla deriva fuori rotta che vanno a impattare sul rivestimento e portano instabilità al confinamento. La soluzione progettata nel sistema Stellarator è di aggiungere una torsione che costringe le particelle attraverso regioni di campi magnetici variabili ma più omogenei nella camera , con effetti che si annullano a vicenda e creano stabilità al confinamento. Stellarator ha un sistema che assicura questa torsione dall'esterno. La strategia di progettazione, nota come ottimizzazione, prevede la definizione della forma del campo magnetico che meglio confina il plasma, poi la progettazione di un insieme di magneti per produrre il campo. Questa progettazione prende una notevole potenza di calcolo, e i supercomputer non erano all'altezza del compito fino al 1980. Uno dei primi tentativi di realizzare uno Stellarator con la finalità di ottimizzare la progettazione del campo magnetico fu iniziato negli Stati Uniti da parte del Nazional Compact Stellarator (NCSX) nel 2004, con una strategia di ottimizzazione diversa dai tentativi precedenti. Ma la difficoltà di costruzione e assemblaggio delle parti e la precisione millimetrica necessaria sia nella progettazione che nella realizzazione ha portato ad aumenti di costi e ritardi di pianificazione. Nel 2008, con l'80% dei principali componenti o costruiti o acquistati, il Dipartimento dell'Energia ha staccato la spina sul progetto (Science, 30 maggio 2008, pag. 1142). "Abbiamo sottovalutato il costo e sbagliato il calendario", dice L. George "Hutch" Neilson, direttore di NCSX. Ulteriori progetti di stellarator sono stati portati avanti e in corso di realizzazione, come ad esempio quello a Toki in Giappone. Nel frattempo a prendere in mano la guida avanzata del progetto si sono fatti avanti i tedeschi con la costruzione del reattore W7-X che è stato terminata nel 2014 ed è ormai prossimo all'accensione. Il governo del paese aveva dato il via libera all'iniziativa subito dopo la riunificazione nel 1993, e nel 1994 aveva deciso di istituire un nuovo istituto dipendente dal Max Plank Institut a Greifswald, nella ex Germania dell'Est, per costruire la macchina. Cinquanta membri del personale di IPP furono spostati da Garching a Greifswald, a 800 chilometri di distanza, con altri ricercatori che hanno fatto frequenti viaggi tra i siti. I nuovi assunti hanno portato l'organico fino ad oggi a 400 ricercatori. W7-X è stato programmato per iniziare la fase realizzativa nel 2006 ad un costo previsto di 0,550 miliardi di euro. Ad oggi, a macchina realizzata i costi hanno raggiunto gli 1,1 miliardi di euro. Ma proprio come era successo con lo sfortunato tentativo americano del NCSX, anche la realizzazione della macchina tedesca ha incontrato problemi enormi. La macchina dispone di 425 tonnellate di magneti superconduttori e prevede una complessa struttura di supporto con il compito di tenere refrigerati i sistemi vicino allo zero assoluto. Il raffreddamento dei magneti con elio liquido è un compito ingegneristico che Klinger, direttore della filiale di Greifswald, definisce "l'inferno sulla Terra". "Tutti i componenti freddi devono lavorare, le perdite non sono possibili, e l'accesso è molto difficoltoso" a causa dei sistemi di torsione dei magneti. Tra i magneti con la loro forma stranissima, gli ingegneri devono ottenere più di 250 aperture che permettano di fornire e rimuovere il carburante, riscaldare il plasma, e dare accesso a strumenti diagnostici estremamente precisi. Tutti gli elementi richiedono una modellazione 3D estremamente complessa. "Si può fare solo sul computer", dice Klinger. "Non si può adattare nulla in loco."Dopo 1,1 milioni di ore di costruzione, l'istituto di Greifswald ha terminato la macchina nel maggio 2014 e ha trascorso l'anno effettuando controlli di operatività, che W7-X ha passato senza intoppi. Prove con fasci di elettroni mostrano che il campo magnetico nel reattore è della forma giusta. "Tutto sembra eseguito con una estrema precisione, esattamente come dovrebbe", dice Thomas Sunn Pedersen del Max Plank Institut. L'Agenzia per l'energia nucleare tedesca ha dato il via recentemente alla continuazione dell'esperimento . Il vero test arriverà una volta che la macchina W7-X sarà piena di plasma e ricercatori verificheranno alcune condizioni di funzionamento. La misura chiave è il tempo di confinamento e il rapporto di dispersione dell'energia, il tasso al quale il plasma perde energia all'ambiente. "I ricercatori sul campo della fusione di tutto il mondo sono in attesa per vedere se nell'esperimento tedesco otteniamo il tempo di confinamento necessario e se realizziamo una reazione di fusione abbastanza lunga con una produzione di energia adeguata", dice l'americano David Gates del Princeton Plasma Physics Lab. Il successo potrebbe significare un cambiamento di rotta per la fusione. Il passo successivo dopo ITER è una centrale-prototipo che deve ancora essere progettata chiamata DEMO. La maggior parte degli esperti hanno ipotizzato che sarebbe stato una sorta di tokamak, ma ora, con quanto accade intorno al progetto tedesco, alcuni stanno iniziando a ipotizzare che la futura centrale sarà del tipo a stellarator derivata da Wendelstein 7-x. . Tutto dipenderà da come saranno i risultati dell'esperimento tedesco. Se saranno positivi, ci sarà un sacco di entusiasmo ". La realizzazione industriale della fusione potrebbe essere accelerata e alcuni gravi problemi del pianeta potrebbero cominciare ad avere risposte tecnologiche adeguate, primo fra tutti l'eccessiva emissione di carbonio in atmosfera.

(Molte delle notizie riportate nell'articolo sono tratte da Science 23 October 2015: Vol. 350 no. 6259).