Forse la più grande sfida tecnologica per raccogliere sulla Terra l'energia di fusione che alimenta il sole e le stelle nei futuri reattori a fusione tokamak sarà controllare il calore estremo che potrebbe colpire il sistema di scarico all'interno dei dispositivi. Tale flusso di calore, o flusso, potrebbe danneggiare gravemente le pareti del deviatore al centro del sistema di scarico e arrestare le reazioni di fusione negli impianti a forma di ciambella.

I ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno creato un piano che utilizza il litio liquido per evitare che tutta la forza del calore estremo colpisca il divertore e consentirebbe ai tokamak di continuare a funzionare. "Ci sarà un avviso in arrivo e se riesci a catturarlo e a mettere in atto un rimedio abbastanza rapidamente puoi evitare che l'evento danneggi il muro del deviatore, " ha detto il fisico Masayuki Ono, autore principale di un articolo sul Journal of Fusion Energy che delinea una soluzione proposta.

Le reazioni di fusione combinano elementi leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici che costituisce il 99 percento dell'universo visibile, per generare enormi quantità di energia. I fisici di tutto il mondo stanno cercando di riprodurre e controllare tali reazioni per creare un ambiente sicuro, fornitura pulita e praticamente inesauribile di energia per generare elettricità.

Enorme energia immagazzinata

Il problema sorge perché l'energia immagazzinata nel nucleo del plasma che alimenterà i futuri tokamak dovrebbe essere 1, 000 volte maggiore rispetto alle strutture utilizzate oggi. Se solo l'1% dell'energia immagazzinata esplodesse fuori dal nocciolo di un futuro reattore e raggiungesse il deviatore, il danno potrebbe essere esteso, disse Ono. Un tale evento potrebbe essere causato da riacutizzazioni come le modalità localizzate ai bordi (ELM), in cui intense esplosioni di calore possono colpire le pareti rivolte al plasma di un tokamak. Il rimedio proposto, ideato con il coautore Roger Raman, un fisico dell'Università di Washington su incarico a lungo termine al PPPL, chiede l'iniezione di pellet di litio, un leggero metallo argenteo, nel deviatore al centro della regione di scarico, dove il litio si liquefarebbe e si irradierebbe fortemente. La radiazione diffonderebbe gran parte del calore estremo che fuoriesce dal nucleo del plasma e ridurrebbe al minimo la quantità che colpisce la parete del deviatore.

"L'idea è di iniettare impurità leggere come il litio, boro, o berillio nella regione del divertore in modo da irradiare gran parte dell'energia, "Spiegò Ono. "Il trucco sarà entrare abbastanza velocemente da proteggere il divertore con pochissime radiazioni che colpiscono il nucleo di plasma. Non vuoi iniettare troppo materiale impuro, quanto basta per fare il lavoro."

I ricercatori attualmente iniettano litio nei tokamak con semplici, tecnologie economiche come gli iniettori a pistola a gas e un sistema basato su ruote a pale che iniettano continuamente un flusso di particelle. Però, Ono e Raman affermano che le pistole a gas tendono a iniettare un carico di gas nella camera a vuoto che ospita il nucleo del plasma, che potrebbe causare problemi.

Iniettore ad alta velocità

Gli autori propongono di sostituire le pistole a gas con un "iniettore di particelle elettromagnetiche" simile a quello che Raman ha sviluppato all'Università di Washington. "Evitare il carico di gas non necessario con un tempo di risposta rapido controllato è particolarmente importante, " ha detto Raman. Il concetto proposto rimarrebbe in modalità stand-by fino al momento del bisogno, e quindi inietterebbe il carico utile radiativo su una scala temporale rapida.

Avvisi di flusso di calore estremo potrebbero provenire dagli improvvisi lampi di luce che le esplosioni di calore creerebbero ai margini del plasma. Tali raffiche potrebbero raggiungere il deviatore in circa 10 millisecondi. L'iniettore di particelle elettromagnetiche spara rapidamente un proiettile ad alta velocità nella regione del deviatore per irradiare il flusso di calore in arrivo.

Gli scienziati hanno precedentemente applicato il litio liquido attraverso una tecnica diversa al bordo del plasma nel National Spherical Torus Experiment (NSTX), il precursore del National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), l'attuale impianto di fusione di punta a PPPL, e ha scoperto che il metallo riduceva il flusso di calore di picco del deviatore. Gli autori propongono ora di testare l'applicazione del litio con un iniettore elettromagnetico sull'NSTX-U quando la struttura sarà disponibile dopo aver completato le riparazioni in corso.

Se questo test ha esito positivo, l'applicazione potrebbe essere successivamente testata su futuri tokamak come ITER, il tokamak internazionale in sviluppo in Francia. "Questo è un duro, problema impegnativo, " Ono ha detto di controllare il flusso di calore estremo. "È un problema a lungo raggio e sarebbe saggio assicurarci di avere modi per ridurre al minimo l'impatto".