Da 30 anni, l'aggiornamento Asdex ha spianato la strada a una centrale elettrica a fusione che genera energia climaticamente neutra. L'impianto di fusione tokamak è stato ripetutamente ampliato e migliorato durante questo periodo. Non da ultimo per questo motivo, fornisce numerosi spunti che sono incorporati nella progettazione e nel funzionamento di altri impianti di fusione. Per esempio, il team Asdex Upgrade ha sviluppato scenari per il funzionamento dell'impianto di test Jet nel Regno Unito e dell'impianto di test Iter in Francia, nonché previsioni per una centrale elettrica dimostrativa pianificata. Una conversione prevista per la metà del 2022 ha lo scopo di preparare l'impianto per il futuro.

L'obiettivo della ricerca sulla fusione è sviluppare una centrale elettrica rispettosa del clima e dell'ambiente. come il sole, il suo scopo è ricavare energia dalla fusione dei nuclei atomici. Il carburante per questo è estremamente sottile, gas idrogeno ionizzato:un plasma. Per accendere il fuoco di fusione, il plasma deve essere racchiuso in campi magnetici quasi senza contatto e riscaldato a oltre 100 milioni di gradi.

Al fine di regolare l'interazione tra il combustibile caldo e le pareti circostanti, gli scienziati del Max Planck Institute for Plasma Physics hanno dotato l'Asdex Upgrade di un divertore, che ha dato il nome alla pianta:Esperimento del divertore assiale simmetrico. Attraverso un campo magnetico aggiuntivo, il campo deviatore rimuove le impurità dal plasma e ne migliora l'isolamento termico.

Però, a differenza del suo predecessore Asdex, l'Aggiornamento Asdex, il divertore e le importanti proprietà del plasma, soprattutto la densità e il carico sulle pareti, sono più strettamente adattati alle condizioni in una centrale elettrica successiva. Dotato di un potente riscaldatore al plasma e sofisticate apparecchiature di misurazione per l'osservazione del plasma, l'Aggiornamento Asdex può quindi essere utilizzato per sviluppare modalità operative per una potenziale centrale elettrica. nel 38, 700 scariche di plasma ad oggi, l'impianto ha risposto a domande di ricerca essenziali per l'esperimento congiunto europeo Jet e il reattore sperimentale internazionale Iter, nonché per una centrale elettrica dimostrativa pianificata.

Una parete di tungsteno per il vaso plasma

Con l'aggiornamento Asdex, i ricercatori hanno compiuto un passo significativo verso una futura centrale elettrica a fusione quando hanno rivestito la parete del vaso del plasma con tungsteno anziché carbonio. Il carbonio presenta notevoli vantaggi per gli impianti sperimentali. Però, non è adatto al funzionamento di una centrale elettrica perché è troppo fortemente eroso dal plasma e si lega troppo combustibile a se stesso. A causa del suo alto punto di fusione, il tungsteno è adatto come materiale per pareti, almeno in linea di principio. Ma il plasma si raffredda rapidamente a causa anche delle più piccole impurità negli atomi di tungsteno che vengono ripetutamente rilasciate dalla parete. Dopo molte sperimentazioni, il team di aggiornamento di Asdex è stato in grado di affrontare questo problema.

Conseguenze dirette di questo successo:in una grande ricostruzione, l'esperimento congiunto europeo Jet ha ricevuto un divertore al tungsteno nel 2011. Il team internazionale del reattore sperimentale Iter ha deciso di rinunciare agli esperimenti inizialmente previsti con un divertore di carbonio e andare dritto al tungsteno. Il tungsteno è anche il materiale di riferimento per la centrale dimostrativa.

L'iniezione di idrogeno previene le instabilità

Nell'interazione delle particelle di plasma cariche con il campo magnetico confinante, possono verificarsi vari disturbi del confinamento plasmatico. Questi includono instabilità al bordo del plasma o ELM (modalità localizzate sul bordo). Nel processo, il plasma di bordo perde brevemente il suo confinamento e periodicamente proietta particelle di plasma ed energia verso l'esterno sulle pareti del vaso. Mentre gli impianti di medie dimensioni come l'Asdex Upgrade sono in grado di far fronte a questo, il deviatore in grandi impianti come Iter potrebbe sovraccaricarsi. Per risolvere questo problema, sono state sviluppate procedure per prevenire instabilità per l'Aggiornamento Asdex. Sedici piccole bobine magnetiche nel vaso del plasma sopprimono completamente l'instabilità con i loro campi. Un secondo metodo inizia dal bordo plasma più esterno. Se è possibile impostare la giusta forma del plasma, tramite il campo magnetico, garantendo una densità di particelle sufficientemente elevata, iniettando idrogeno, gli ELM non possono svilupparsi.

Garantire un funzionamento continuo

Il funzionamento continuo è garantito da impianti di fusione di tipo tokamak, come l'Asdex Upgrade, Jet, o Iter, che costruiscono la gabbia magnetica con due campi magnetici sovrapposti:un campo a forma di anello generato da bobine magnetiche esterne e il campo di una corrente che scorre nel plasma. Combinando i campi magnetici, le linee di campo sono attorcigliate in modo tale da racchiudere il plasma. La corrente di plasma è normalmente indotta a impulsi da una bobina del trasformatore nel plasma. A differenza degli stellarator più complicati, l'intero sistema funziona a impulsi, un difetto dei tokamak.

Gli scienziati del Max Planck Institute for Plasma Physics stanno quindi studiando vari metodi per generare continuamente la corrente nel plasma. Per esempio, iniettando onde ad alta frequenza o fasci di particelle che guidano una corrente aggiuntiva nel plasma. Sono così riusciti a far funzionare il sistema quasi senza trasformatore, e per la prima volta in una macchina con una parete interna metallica praticamente rilevante. Se l'Asdex Upgrade non fosse stato dotato di bobine di rame normalmente conduttrici ma piuttosto di bobine magnetiche superconduttive (come nel caso di Iter), questa fase avrebbe potuto essere estesa per molto più tempo, potenzialmente fino al funzionamento continuo.

Cosa accadrà dopo

Durante i 30 anni di attività dell'Aggiornamento Asdex, la forma del divertore è stata modificata e ottimizzata più volte. I ricercatori ora vogliono fare un ulteriore passo avanti e testare un nuovo concetto di divertore. Due bobine magnetiche aggiuntive sul tetto del recipiente del plasma hanno lo scopo di espandere il campo del deviatore in modo che la potenza del plasma sia distribuita su un'area più ampia. L'assemblaggio delle bobine dovrebbe iniziare a metà del 2022. Tali espansioni consentiranno anche future indagini presso il tokamak di Garching per risolvere i problemi di una futura centrale elettrica dimostrativa. "In molti modi, l'Aggiornamento Asdex può essere visto come un progetto per una centrale elettrica a fusione tokamak, " afferma il capo progetto Arne Kallenbach. "Insieme ai codici informatici di nuova concezione, gli scarichi campione sviluppati in 30 anni forniscono informazioni affidabili per una centrale elettrica."