Il nucleo di un reattore a fusione è incredibilmente caldo. L'idrogeno che inevitabilmente fuoriesce da esso deve essere raffreddato nel suo percorso verso la parete, come altrimenti, la parete del reattore sarebbe danneggiata. I ricercatori dell'istituto olandese DIFFER e dello Swiss Plasma Center dell'EPFL hanno sviluppato un rigoroso metodo di misurazione e controllo per il raffreddamento delle particelle molto calde che fuoriescono dai plasmi di fusione.

L'energia da fusione è una promettente fonte di energia sostenibile. In un reattore a fusione, plasma di idrogeno estremamente caldo è tenuto sospeso da campi magnetici. Però, c'è sempre una frazione che sfugge. Per evitare che danneggi il recipiente del reattore, l'idrogeno fuoriuscito deve essere raffreddato nel suo percorso verso la parete.

Il raffreddamento può essere ottenuto in vari modi, ad esempio iniettando un gas. "Ma se inietti troppo gas aggiuntivo, il plasma si è raffreddato troppo forte, che riduce le prestazioni, " afferma Christian Theiler (Centro plasma svizzero, EPFL), coautore di uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura . È quindi necessario gestire costantemente il raffreddamento al punto che il reattore possa farcela adeguatamente. Matthijs van Berkel (DIFFER):"La capacità di controllare con precisione il raffreddamento è esplicitamente dichiarata nel programma europeo di fusione (EUROfusion) come un passo necessario verso l'energia da fusione. È fantastico che possiamo contribuire a questo ora". In Comunicazioni sulla natura , gli autori descrivono come raffreddare le particelle in fuga in modo rapido e controllato con un innovativo sistema di controllo a feedback. Gli esperimenti sono stati condotti nel tokamak TCV, una macchina per la ricerca sulla fusione presso lo Swiss Plasma Center dell'EPFL.

"Stiamo passando dallo studio al controllo. Questo è vitale per il futuro dei reattori a fusione, " dice il primo autore Timo Ravensbergen (DIFFER). "Misuriamo, calcolare, e controlla con una velocità incredibile."

Un sistema chiuso

L'idrogeno che fuoriesce viene portato via attraverso lo "scarico" del reattore. dove vengono catturate le perdite di calore del plasma. Il processo di forte raffreddamento in prossimità del divertore è chiamato distacco del divertore. Riduce la temperatura e la pressione del plasma vicino alla parete. I fisici della fusione hanno già molta esperienza con questo processo, ma questo è in parte basato sull'intuizione e sulle esperienze di misurazioni precedenti. Ora le cose andranno diversamente. "Abbiamo sviluppato un sistema chiuso, "dice Van Berkel, capogruppo Sistemi Energetici &Controllo. "Abbiamo combinato molte tecniche diverse, questo è ciò che lo rende unico. Il nostro approccio di ingegneria dei sistemi può essere applicato ad altri reattori a fusione." Gli esperimenti sono una prova di principio. Van Berkel pensa che il metodo sarà, con aggiustamenti, applicabile nei grandi reattori a fusione ITER e DEMO.

Passo dopo passo

I ricercatori hanno utilizzato il sistema di telecamere MANTIS presso il tokamak TCV per questa ricerca. Questo sistema di imaging Tokamak a banda stretta avanzato multispettrale è stato sviluppato da DIFFER, EPFL e MIT. I ricercatori hanno adattato il sistema in modo tale che le immagini della telecamera fossero convertite in dati dai quali un modello di computer potesse quindi calcolare in tempo reale il raffreddamento ottimale in condizioni variabili. Tutto questo è avvenuto con notevole precisione:lo stato del plasma è determinato 800 volte al secondo.

Un nuovo algoritmo di elaborazione delle immagini in tempo reale, sviluppato presso DIFFER, analizza le immagini MANTIS. L'algoritmo calcola quanto è necessario raffreddare, e successivamente comanda automaticamente le valvole del gas. Finalmente, i ricercatori hanno prodotto un modello del sistema analizzando, ancora una volta con la fotocamera, come il plasma risponde al gas introdotto. "Con questo modello, determiniamo la relazione dinamica tra il controllo della valvola del gas e il fronte termico, "dice Van Berkel.

Risultato veloce:testato sul tokamak TCV dell'EPFL

Il sistema è stato testato sul tokamak TCV. "È un dispositivo molto flessibile, dove le idee possono essere sviluppate e testate piuttosto rapidamente, " sottolinea Theiler. Van Berkel concorda:"TCV è una macchina fantastica per testare le tecniche di controllo, con un sistema di controllo in tempo reale ipermoderno." Van Berkel racconta che i risultati sono stati rapidi:"In soli quattro esperimenti, siamo riusciti a ottenere il controllo in retroazione del plasma vicino al divertore. Questo dimostra che il nostro approccio sistematico funziona".

Ricerca futura

È già stata preparata una proposta per la ricerca di follow-up. I ricercatori hanno utilizzato una sola fotocamera MANTIS, mentre il sistema ne ha dieci. I ricercatori vogliono usare anche le altre fotocamere, in modo che possano controllare il processo in modo ancora più accurato, e per controllare ulteriori processi chiave nel deviatore.

Fusione:grande potenziale energetico

Fusione, la reazione nucleare che alimenta il Sole, ha un alto potenziale energetico, è sicuro e rispettoso dell'ambiente. La ricerca in questo campo è sostenuta dal reattore internazionale ITER. Mentre la gigantesca macchina di ricerca viene assemblata in Francia, scienziati di tutto il mondo stanno lavorando ai prossimi passi:produrre reazioni di fusione su larga scala al suo interno. La fusione si verifica quando i nuclei degli atomi leggeri vengono riscaldati a cento milioni di gradi, formando un gas di particelle cariche chiamato plasma.