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Ottenuta una quantità di energia record da reazioni di fusione nel tokamak JET

https://it.wikipedia.org/wiki/File:Deuterium-tritium_fusion.svg

Il 9 Febbraio 2022 sono stati annunciati in una conferenza stampa di EUROfusion trasmessa in diretta streaming i risultati di esperimenti condotti sul tokamak JET nel 2021, che hanno stabilito un nuovo primato mondiale di energia totale prodotta da reazioni di fusione nucleare.

La strada per l’energia da fusione

Nel processo di fusione nucleare, nuclei leggeri si combinano a formare nuclei più pesanti con liberazione di energia. Le ricerche sulla fusione mirano a sfruttare l’enorme quantità di energia prodotta (a parità di massa dei prodotti reagenti, circa 107 volte l’energia liberata in una reazione chimica) per generare elettricità in modo sostenibile, integrando altre fonti di energia pulita come il solare e l’eolico. Almeno potenzialmente, la fusione potrebbe fornire una quota significativa dell’energia mondiale per molte migliaia di anni.
In un dispositivo di fusione il combustibile, inizialmente nello stato di gas, viene riscaldato fino a ionizzare gli atomi. Gli elettroni e i nuclei formano quindi un plasma, un sistema collettivo di particelle cariche che viene confinato per mezzo di un’opportuna configurazione di campi magnetici, per impedirne il raffreddamento a causa del contatto con la parete interna del dispositivo. Il plasma viene ulteriormente riscaldato fino a temperature estremamente elevate (oltre 108 K), alle quali i nuclei possono superare la loro repulsione elettrica, innescando reazioni di fusione.
In particolare, l’obiettivo del consorzio europeo EUROfusion è sviluppare una centrale elettrica a fusione dimostrativa chiamata “EU DEMO”. Nella tabella di marcia europea della ricerca per la realizzazione dell’energia da fusione (Fusion Roadmap), il tokamak europeo JET (Culham, UK, operante da alcuni decenni) e il tokamak internazionale ITER (Saint-Paul-lez-Durance, France, attualmente in fase di costruzione) rappresentano dispositivi fondamentali per la progettazione e realizzazione di EU DEMO. L’accensione del primo plasma in ITER è prevista attualmente per Dicembre 2025.

Il combustibile da fusione

Il combustibile ideale per la fusione (più elevata sezione d’urto alle temperature più basse) è una miscela degli isotopi deuterio (D) e trizio (T), atomi di H con rispettivamente uno e due neutroni in più nel nucleo, che fondendosi formano una particella alfa (nucleo di He) e un neutrone. Il neutrone serve a trasportare parte dell’energia di fusione dal plasma in uno strato (detto “mantello”) nella parete che circonda la camera di reazione, mentre la particella alpha riscalda il combustibile circostante per mantenere le condizioni di fusione.
La miscela DT è tuttavia usata raramente negli esperimenti perché i neutroni verrebbero generati in quantità enormi (l’emissività attesa in ITER è fino a 1021 n/s) e ad alta energia (14.1 MeV) rendendo radioattive parti del dispositivo, che dovrebbe quindi essere dotato di una schermatura speciale che ne limiterebbe anche la facilità di sperimentazione. Il T richiede inoltre un trattamento speciale perché è radioattivo (decadimento beta-), con un’emivita di 12.3 anni. Il T è perciò estremamente raro (mentre il D, stabile, è abbondantemente disponibile nell’acqua di mare) e attualmente viene prodotto in reattori nucleari a fissione. Le future centrali elettriche a fusione dovranno essere invece in grado di produrre il T per mezzo di reazioni dei neutroni di fusione con Li contenuto nel mantello.

Il tokamak JET

Mentre quindi quasi tutti gli esperimenti di fusione nel mondo utilizzano plasmi di H o D, JET è l’unico (e finora anche il più grande) tokamak [https://en.wikipedia.org/wiki/Tokamak] (un particolare dispositivo di forma toroidale per il confinamento magnetico del plasma) in grado di funzionare utilizzando il combustibile DT previsto per le future centrali elettriche a fusione. Nel 1997 il tokamak JET aveva già stabilito alcuni primati nel campo della fusione utilizzando una miscela di DT: record di energia totale prodotta da reazioni di fusione (22 MJ, corrispondenti a circa 4.5 MW di potenza di fusione per circa 5 s); record di potenza di picco di fusione (16 MW, ma mantenuti per un intervallo di tempo limitato di 0.15 s); record del parametro Qplasma, definito dividendo la potenza in uscita dal plasma ottenuta dalle reazioni di fusione per la potenza in ingresso nel plasma utilizzata per il suo riscaldamento (Qplasma= 0.67, calcolato da 16 MW di potenza di fusione divisa per 24 MW di potenza di riscaldamento).
Il parametro Qplasma rappresenta un’importante figura di merito del progresso delle ricerche sulla fusione. Tuttavia, esso non tiene conto delle perdite nella conversione del calore prodotto in elettricità, né considera l’energia necessaria per il funzionamento di tutti i sistemi utilizzati nel dispositivo sperimentale. Per ottenere un vero pareggio, un dispositivo a fusione dovrebbe raggiungere un Qplasma di almeno 10, che è un obiettivo del progetto ITER insieme al suo mantenimento per tempi > 300 s. L’obiettivo della centrale elettrica dimostrativa europea EU DEMO sarà invece di raggiungere Qplasma>50, con potenza elettrica netta in uscita di 500 MW.
Gli aggiornamenti e miglioramenti effettuati sul dispositivo JET negli ultimi anni hanno consentito nella campagna sperimentale con DT nel 2021 di verificare modalità di creazione e mantenimento di plasmi DT in condizioni rappresentative di ITER; dimostrare la validità di schemi di riscaldamento a microonde rilevanti per il funzionamento di ITER con D; evidenziare effetti sul comportamento del plasma dovuti alle particelle a energetiche (3.5 MeV) prodotte dalla reazione di fusione, fino ad arrivare alla dimostrazione di produzione di potenza da fusione tra 10 e 15 MW per tempi significativamente lunghi. convalidando modelli numerici per le prestazioni previste in ITER e in future macchine. Tali aggiornamenti includono il passaggio da una parete interna in C ad una in metallo realizzata con Be e W che verranno utilizzati in ITER, nonché l’installazione di rinnovati o aggiuntivi sistemi di riscaldamento, diagnostica e controllo.

Un nuovo record di energia da fusione

Nella campagna sperimentale su JET nel 2021, i ricercatori hanno ottenuto un nuovo record di energia totale prodotta da reazioni da fusione, pari a 59 MJ in una scarica di 5 s (non un record di Qplasma, che risulta 0.35, calcolato da circa 11.8 MW di potenza di fusione divisa per 33 MW di potenza di riscaldamento). La durata della scarica è limitata dal fatto che JET utilizza magneti normal-conduttori, limite che verrà superato in macchine future come ITER che opereranno con magneti superconduttori raffreddati criogenicamente in grado di mantenere il campo magnetico molto più a lungo. La durata di 5 s risulta tuttavia maggiore dei tempi scala dei processi che avvengono all’interno del plasma, per cui gli esperimenti dimostrano che JET è stato in grado di ottenere un plasma parzialmente autosostenuto che rilascia una quantità significativa di energia di fusione con un funzionamento prolungato dell’apparato, un risultato che fornisce grande fiducia nell’ottenimento degli obiettivi previsti dai futuri dispositivi di fusione.


Per maggiori informazioni contattare Massimiliano Romé.

14 febbraio 2022
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