Nel suo ultimo giorno di attività, il tokamak Alcator C-Mod presso il Plasma Science &Fusion Center del Massachusetts Institute of Technology ha stabilito un nuovo record per la pressione del plasma in un dispositivo di confinamento magnetico. Questi risultati aiutano a convalidare l'approccio ad alto campo all'energia da fusione, che potrebbe portare a minori, centrali a fusione più economiche.

L'energia di fusione richiede che il prodotto di tre fattori:la densità delle particelle di plasma, il suo tempo di reclusione, e la sua temperatura (il cosiddetto "prodotto triplo"), superano un certo valore di soglia. Al di sopra di questo valore, l'energia rilasciata dal processo di fusione supera l'energia necessaria per mantenere la reazione in corso.

Pressione, che è il prodotto di densità e temperatura, rappresenta circa i due terzi di tale sfida. La densità di potenza della fusione aumenta con il quadrato della pressione, quindi raddoppiare la pressione porta a un aumento di quattro volte della produzione di energia. E poiché l'economia dell'energia da fusione sarà dominata dai costi di capitale, saranno essenziali elevate densità di potenza.

C-Mod è un compatto, tokamak ad alto campo, che ha prodotto tanti nuovi e importanti risultati da quando è entrata in funzione nel 1993, contributo di dati che estendono i test di modelli fisici critici in nuovi intervalli di parametri e in nuovi regimi. Il gruppo di ricerca comprende scienziati, ingegneri, tecnici e studenti del MIT e di un gran numero di istituzioni collaboratrici nazionali e internazionali. Le sue capacità uniche e da record fluiscono direttamente dal potente elettromagnete al centro del suo design.

Durante i 23 anni di funzionamento di Alcator C-Mod, ha ripetutamente superato il record per la pressione del plasma in un dispositivo di confinamento magnetico. Il precedente valore di 1,77 atmosfere, fissato al C-Mod nel 2005, è stato eclissato dal nuovo record di 2,05 atmosfere (in altre unità 2,1 Bar o 0,21 MPa). Questi ultimi valori sono stati raggiunti impiegando oltre 4 megawatt di riscaldamento a radiofrequenza, aumentando la temperatura all'interno del C-Mod a oltre 35 milioni di gradi Celsius o circa due volte più calda del centro del sole. La macchina funzionava con un campo magnetico centrale di 5,7 Tesla e 1,4 milioni di ampere di corrente elettrica.

In questi nuovi esperimenti, i risultati C-Mod hanno superato la pressione successiva più alta, raggiunto in altri dispositivi, di circa il 70 per cento. A meno che non venga annunciato e costruito un nuovo esperimento, il record di pressione appena stabilito in C-Mod durerà probabilmente almeno per i prossimi 15 anni. ITER, un tokamak attualmente in costruzione in Francia, sarà circa 800 volte più grande nel volume plasmatico di C-Mod, ma funzionerà con un campo magnetico inferiore. Si prevede che ITER raggiungerà 2,6 atmosfere quando sarà pienamente operativo entro il 2032, secondo un recente rapporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Nel 2012, il DOE ha deciso di sospendere i finanziamenti a C-Mod a causa delle pressioni sul budget per la costruzione di ITER. A seguito di tale decisione, il Congresso degli Stati Uniti ha ripristinato i finanziamenti a C-Mod per un periodo di tre anni, che si è conclusa il 30 settembre.

Per tutta la sua vita, i risultati di C-Mod hanno direttamente supportato le decisioni di progettazione e la pianificazione operativa per ITER. Allo stesso tempo, indicano la strada verso un percorso di sviluppo della fusione che dovrebbe essere più compatto, dispositivi di campo superiore.

Come sopra annotato, la densità di potenza di fusione aumenta con il quadrato della pressione del plasma, che a sua volta scala come il quadrato del campo magnetico. Quindi la densità di potenza di fusione aumenta come la quarta potenza del campo magnetico. Il guadagno di energia scala con la terza potenza del campo. Da questi argomenti, è chiaro che i dispositivi di fusione più convenienti funzionerebbero con i campi più elevati che possono essere progettati in modo affidabile. In diverse occasioni precedenti, quando gli Stati Uniti stavano progettando di costruire i propri dispositivi al plasma in fiamme, Per esempio, il CIT proposto, dispositivi BPX e FIRE, l'argomento prezzo/prestazioni ha portato a progetti compatti ad alto campo. Guardando avanti e considerando i costi sostanziali e il programma di costruzione esteso per ITER, che è stato progettato con la tecnologia dei magneti superconduttori a campo moderato, un percorso di sviluppo che presenta un campo più elevato sembra attraente.

Fino a poco tempo fa, l'opzione ad alto campo era aperta solo per esperimenti a impulsi poiché i superconduttori convenzionali a base di niobio hanno correnti e campi critici che limiterebbero i magneti di fusione di grande volume a circa 6 Tesla. Però, la maturità industriale dei cosiddetti superconduttori ad alta temperatura (HTS) basati su composti di terre rare come l'ittrio-bario-ossido di rame (YBCO) è un punto di svolta. Un concetto di impianto pilota di fusione, chiamato ARCO, è stato sviluppato al MIT per esplorare le capacità abilitate dalla nuova tecnologia dei superconduttori. Questo studio ha mostrato che una macchina delle dimensioni del tokamak JET, funzionante con magneti HTS a 9 Tesla e con parametri di plasma normalizzati già raggiunti negli esperimenti attuali, potrebbe produrre 500 megawatt di energia da fusione e 200 megawatt di elettricità netta.