Can tokamak impianti di fusione, i dispositivi più utilizzati per raccogliere sulla Terra le reazioni di fusione che alimentano il sole e le stelle, essere sviluppato più rapidamente per produrre sicuro, pulire, ed energia virtualmente illimitata per generare elettricità? Il fisico Jon Menard del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti ha esaminato questa domanda in uno sguardo dettagliato al concetto di un tokamak compatto dotato di magneti superconduttori ad alta temperatura (HTS). Tali magneti possono produrre campi magnetici più elevati, necessari per produrre e sostenere reazioni di fusione, rispetto a quanto sarebbe altrimenti possibile in una struttura compatta.

Menard ha presentato per primo il documento, ora pubblicato in Transazioni filosofiche della Royal Society A , a un workshop della Royal Society a Londra che ha esplorato l'accelerazione dello sviluppo dell'energia di fusione prodotta dai tokamak con tokamak compatti. "Questo è il primo documento che documenta quantitativamente come i nuovi superconduttori possono interagire con l'alta pressione prodotta dai tokamak compatti per influenzare il modo in cui i tokamak vengono ottimizzati in futuro, " ha detto Menard. "Quello che abbiamo cercato di sviluppare erano alcuni modelli semplici che catturassero aspetti importanti di un design integrato".

Risultati "molto significativi"

I risultati sono "molto significativi, " ha detto Steve Cowley, direttore del PPPL. Cowley ha osservato che "gli argomenti di Jon in questo e nel precedente documento sono stati molto influenti nel recente rapporto delle National Academies of Sciences, " che richiede un programma statunitense per sviluppare un impianto pilota di fusione compatto per generare elettricità al minor costo possibile. "Jon ha davvero delineato gli aspetti tecnici per tokamak molto più piccoli utilizzando magneti ad alta temperatura, " ha detto Cowley.

Tokamak compatti, che possono includere strutture sferiche come il National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) che è in riparazione presso PPPL e il Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) in Gran Bretagna, fornire alcune caratteristiche vantaggiose. I dispositivi, a forma di mela senza torsolo piuttosto che di tokamak convenzionali a forma di ciambella, può produrre plasmi ad alta pressione che sono essenziali per le reazioni di fusione con campi magnetici relativamente bassi ed economici.

Tali reazioni fondono elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, per rilasciare energia. Gli scienziati cercano di replicare questo processo e essenzialmente di creare una stella sulla Terra per generare elettricità in abbondanza per le case, fattorie, e industrie di tutto il mondo. La fusione potrebbe durare milioni di anni con pochi rischi e senza generare gas serra.

Estende l'esame precedente

Lo studio di Menard estende il suo precedente esame di un progetto sferico che potrebbe sviluppare materiali e componenti per un reattore a fusione e servire come impianto pilota per produrre energia elettrica. L'attuale documento fornisce un'analisi dettagliata dei complessi compromessi che i futuri esperimenti dovranno esplorare quando si tratta di integrare i tokamak compatti con i magneti HTS. "Ci rendiamo conto che non esiste un'unica innovazione su cui poter contare per portare a qualche svolta per rendere i dispositivi più compatti o economici, " ha detto Menard. "Devi guardare un intero sistema integrato per sapere se stai ottenendo benefici da campi magnetici più elevati".

Il documento focalizza questioni chiave sulla dimensione del foro, definito come il "rapporto d'aspetto, " al centro del tokamak che contiene e modella il plasma. Nei tokamak sferici, questo buco può essere la metà del buco nei tokamak convenzionali, corrispondente alla forma a mela del torsolo del design compatto. Mentre i fisici ritengono che rapporti di aspetto inferiori possano migliorare la stabilità e il confinamento del plasma, "non lo sapremo sul lato del confinamento fino a quando non eseguiremo esperimenti su NSXT-U e gli aggiornamenti di MAST, " disse Menard.

Le proporzioni inferiori forniscono un ambiente attraente per i magneti HTS, la cui elevata densità di corrente può produrre i forti campi magnetici che la fusione richiede all'interno dello spazio relativamente ristretto di un tokamak compatto. Però, i magneti superconduttori necessitano di una schermatura spessa per la protezione dai danni e dal riscaldamento del bombardamento di neutroni, lasciando poco spazio per un trasformatore per indurre la corrente nel plasma per completare il campo di torsione quando le dimensioni del dispositivo sono ridotte. Per progetti con proporzioni inferiori, gli scienziati dovrebbero quindi sviluppare nuove tecniche per produrre parte o tutta la corrente di plasma iniziale.

Da 200 a 300 megawatt di energia elettrica

Sostenere il plasma per generare i 200-300 megawatt di energia elettrica che l'articolo esamina richiederebbe anche un confinamento più elevato rispetto ai regimi operativi standard del tokamak normalmente raggiunti. Tale produzione di energia potrebbe portare a flussi impegnativi di neutroni di fusione che limiterebbero la durata stimata dei magneti HTS a uno o due anni di funzionamento a piena potenza. Una schermatura più spessa potrebbe aumentare sostanzialmente quella durata, ma ridurrebbe anche la fornitura di energia da fusione.

Sarà infatti necessario un importante sviluppo per i magneti HTS, che non sono ancora stati costruiti in scala. "Probabilmente ci vorranno anni per mettere insieme un modello degli elementi essenziali dei requisiti di dimensione del magnete e dei fattori correlati in funzione delle proporzioni, " disse Menard.

La linea di fondo, Egli ha detto, è che il rapporto di aspetto più basso "vale davvero la pena di indagare sulla base di questi risultati". I potenziali benefici di rapporti più bassi, ha notato, includono la produzione di densità di potenza di fusione, la produzione cruciale di potenza di fusione per volume di plasma, che supera la produzione per i rapporti d'aspetto convenzionali. "La fusione deve diventare più attraente, "Menard ha detto, "quindi è importante valutare i vantaggi di proporzioni inferiori e quali sono i compromessi".