Due anni e mezzo fa, Il MIT ha stipulato un accordo di ricerca con la società startup Commonwealth Fusion Systems per sviluppare un esperimento di ricerca sulla fusione di nuova generazione, chiamato SPARC, come precursore di una pratica, centrale elettrica a emissioni zero.

Ora, dopo molti mesi di intenso lavoro di ricerca e ingegneria, i ricercatori incaricati di definire e perfezionare la fisica alla base dell'ambizioso progetto del reattore hanno pubblicato una serie di documenti che riassumono i progressi compiuti e delineano le principali domande di ricerca che SPARC consentirà.

Globale, dice Martin Greenwald, vicedirettore del Plasma Science and Fusion Center del MIT e uno dei principali scienziati del progetto, il lavoro sta procedendo senza intoppi e sulla buona strada. Questa serie di documenti fornisce un alto livello di confidenza nella fisica del plasma e nelle previsioni delle prestazioni per SPARC, lui dice. Non si sono presentati impedimenti imprevisti o sorprese, e le restanti sfide sembrano gestibili. Ciò pone una solida base per il funzionamento del dispositivo una volta costruito, secondo Greenwald.

Greenwald ha scritto l'introduzione per una serie di sette articoli di ricerca scritti da 47 ricercatori provenienti da 12 istituzioni e pubblicati oggi in un numero speciale del Journal of Plasma Physics . Insieme, i documenti delineano le basi fisiche teoriche ed empiriche per il nuovo sistema di fusione, che il consorzio prevede di iniziare a costruire il prossimo anno.

SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a ottenere un "plasma in fiamme", ovvero, una reazione di fusione autosufficiente in cui diversi isotopi dell'elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza la necessità di ulteriori apporti di energia. Lo studio del comportamento di questo plasma in fiamme, qualcosa di mai visto prima sulla Terra in modo controllato, è visto come un'informazione cruciale per sviluppare il passo successivo, un prototipo funzionante di un pratico, centrale elettrica per la produzione di energia.

Tali centrali elettriche a fusione potrebbero ridurre significativamente le emissioni di gas serra dal settore della generazione di energia, una delle principali fonti di queste emissioni a livello globale. Il progetto MIT e CFS è uno dei più grandi progetti di ricerca e sviluppo finanziati da privati ​​mai intrapresi nel campo della fusione.

Il progetto SPARC, sebbene sia grande circa il doppio dell'esperimento Alcator C-Mod del MIT ora in pensione e simile a molti altri reattori a fusione di ricerca attualmente in funzione, sarebbe molto più potente, ottenere prestazioni di fusione paragonabili a quelle attese nel reattore ITER molto più grande, costruito in Francia da un consorzio internazionale. L'elevata potenza in dimensioni ridotte è resa possibile dai progressi nei magneti superconduttori che consentono a un campo magnetico molto più forte di confinare il plasma caldo.

Il progetto SPARC è stato lanciato all'inizio del 2018 e lavorare alla sua prima fase, lo sviluppo dei magneti superconduttori che consentirebbero di costruire sistemi di fusione più piccoli, sta procedendo a ritmo sostenuto. La nuova serie di documenti rappresenta la prima volta che le basi fisiche alla base della macchina SPARC sono state delineate in dettaglio in pubblicazioni sottoposte a revisione paritaria. I sette articoli esplorano le aree specifiche della fisica che dovevano essere ulteriormente affinate, e che richiedono ancora una ricerca continua per definire gli elementi finali della progettazione della macchina e le procedure operative e le prove che saranno coinvolte man mano che i lavori avanzano verso la centrale.

I documenti descrivono anche l'uso di calcoli e strumenti di simulazione per la progettazione di SPARC, che sono stati testati contro molti esperimenti in tutto il mondo. Gli autori hanno utilizzato simulazioni all'avanguardia, eseguito su potenti supercomputer, che sono stati sviluppati per aiutare la progettazione di ITER. Il grande team multi-istituzionale di ricercatori rappresentato nella nuova serie di documenti mirava a portare i migliori strumenti di consenso alla progettazione della macchina SPARC per aumentare la fiducia che raggiungerà la sua missione.

L'analisi fatta finora mostra che la produzione di energia da fusione pianificata del reattore SPARC dovrebbe essere in grado di soddisfare le specifiche di progettazione con un comodo margine da risparmiare. È progettato per ottenere un fattore Q, un parametro chiave che denota l'efficienza di un plasma di fusione, di almeno 2, significa essenzialmente che viene prodotta una quantità doppia di energia di fusione rispetto alla quantità di energia pompata per generare la reazione. Sarebbe la prima volta che un plasma da fusione di qualsiasi tipo produce più energia di quanta ne consuma.

I calcoli a questo punto mostrano che SPARC potrebbe effettivamente raggiungere un rapporto Q di 10 o più, secondo i nuovi documenti. Mentre Greenwald avverte che il team vuole stare attento a non fare promesse eccessive, e molto lavoro rimane, i risultati finora indicano che il progetto raggiungerà almeno i suoi obiettivi, e in particolare raggiungerà il suo obiettivo chiave di produrre un plasma in fiamme, in cui l'autoriscaldamento domina il bilancio energetico.

Le limitazioni imposte dalla pandemia di COVID-19 hanno rallentato un po' i progressi, ma non molto, lui dice, e i ricercatori sono tornati nei laboratori con nuove linee guida operative.

Globale, "stiamo ancora puntando all'inizio dei lavori all'incirca nel giugno del '21, " Greenwald dice. "Lo sforzo fisico è ben integrato con la progettazione ingegneristica. Quello che stiamo cercando di fare è mettere il progetto sulla base fisica più solida possibile, in modo che siamo sicuri di come funzionerà, e poi fornire indicazioni e rispondere alle domande per la progettazione ingegneristica man mano che procede."

Molti dei dettagli fini sono ancora in fase di elaborazione sul design della macchina, coprendo i modi migliori per ottenere energia e carburante nel dispositivo, togliendo la corrente, affrontare eventuali transitori termici o di potenza improvvisi, e come e dove misurare i parametri chiave per monitorare il funzionamento della macchina.

Finora, ci sono state solo piccole modifiche al design generale. Il diametro del reattore è stato aumentato di circa il 12%, ma poco altro è cambiato, dice Greenwald. "C'è sempre la questione di un po' più di questo, un po' meno di quello, e ci sono molte cose che pesano in questo, problemi di ingegneria, sollecitazioni meccaniche, sollecitazioni termiche, e c'è anche la fisica:come influenzi le prestazioni della macchina?"

La pubblicazione di questo numero speciale della rivista, lui dice, "rappresenta una sintesi, un'istantanea delle basi della fisica così com'è oggi." Sebbene i membri del team ne abbiano discusso molti aspetti durante le riunioni di fisica, "questa è la nostra prima occasione per raccontare la nostra storia, fallo revisionare, ottenere il timbro di approvazione, e distribuirlo alla comunità".

Greenwald dice che c'è ancora molto da imparare sulla fisica dei plasmi che bruciano, e una volta che questa macchina è in funzione, si possono ottenere informazioni chiave che aiuteranno a spianare la strada al commercio, dispositivi di fusione per la produzione di energia, il cui combustibile, gli isotopi di idrogeno deuterio e trizio, può essere reso disponibile in quantità virtualmente illimitate.

I dettagli del plasma che brucia "sono davvero nuovi e importanti, " dice. "La grande montagna che dobbiamo superare è capire questo stato autoriscaldato di un plasma".

Globale, Greenwald dice, il lavoro svolto nell'analisi presentata in questo pacchetto di documenti "contribuisce a convalidare la nostra fiducia nel raggiungimento della missione. Non ci siamo imbattuti in nulla in cui diciamo, 'Oh, questo è prevedere che non arriveremo dove vogliamo." In breve, lui dice, "una delle conclusioni è che le cose stanno ancora andando per il verso giusto. Crediamo che funzionerà".