La ricerca sulla fusione nucleare ha appena superato una delle sue sfide più ostiche grazie a un risultato ottenuto in Inghilterra nel cuore dell’Oxfordshire. Presso il Culham Centre for Fusion Energy, gli scienziati del UK Atomic Energy Authority (UKAEA) hanno annunciato un traguardo storico; la soppressione completa delle instabilità ELM (Edge Localised Modes) in un tokamak sferico. E’ la prima volta al mondo che si ottiene questo risultato. Il risultato è un tassello fondamentale per rendere la fusione una fonte di energia praticabile su scala industriale. Il dispositivo protagonista di questa impresa è MAST Upgrade, il più grande tokamak sferico oggi operativo; è progettato con una forma che ricorda una mela senza torsolo, ben diversa dai tradizionali reattori a ciambella.
La fusione nucleare, processo che alimenta il Sole e le stelle, richiede temperature superiori ai 100 milioni di gradi Celsius per fondere nuclei leggeri come il deuterio e il trizio; a tali temperature, la materia esiste solo come plasma, uno stato estremamente instabile. Mantenere questo plasma sotto controllo senza danneggiare le pareti interne del reattore è sempre stato un problema. Ora, grazie all’uso di bobine magnetiche tridimensionali, chiamate RMP (Resonant Magnetic Perturbation), il team britannico ha dimostrato che è possibile stabilizzare il plasma in modo continuo e sicuro. Questo risultato non solo conferma la fattibilità tecnica del tokamak sferico, ma apre nuove strade per progettare reattori più compatti, economici e affidabili.
Come funzionano le bobine RMP per domare il plasma
Il cuore del successo risiede in una tecnica, paragonabile a una sorta di “agopuntura magnetica” applicata al plasma. Le bobine RMP generano un campo magnetico tridimensionale estremamente preciso, applicato ai bordi del plasma all’interno del tokamak. Questo campo non è potente, ma è calibrato con grande accuratezza; introduce piccole irregolarità nella struttura magnetica che normalmente confina il plasma.
Tali irregolarità impediscono l’accumulo eccessivo di energia nella regione periferica del plasma; dove normalmente si formano le ELM – esplosioni localizzate simili a mini flare solari. Senza questo controllo, le ELM rilascerebbero impulsi di calore e particelle così intensi da erodere o addirittura fondere i materiali delle pareti interne del reattore. Invece, con le RMP attive, l’energia viene rilasciata in modo graduale e continuo; come se un piccolo rubinetto venisse aperto costantemente per evitare che una diga trabocchi.
Questo metodo era già stato testato con successo nei tokamak tradizionali; ma nessuno sapeva se avrebbe funzionato in una geometria sferica. Qui le proporzioni e le dinamiche del plasma sono profondamente diverse. Il fatto che abbia funzionato in MAST Upgrade dimostra che le tecniche avanzate di controllo del plasma non sono legate a un’unica architettura; possono invece essere adattate con successo a configurazioni più compatte. Questo è particolarmente rilevante per il futuro programma britannico STEP (Spherical Tokamak for Energy Production).
Gestione intelligente del calore
Oltre al controllo delle ELM, la quarta campagna sperimentale di MAST Upgrade ha portato un altro risultato di grande rilevanza; la gestione indipendente del calore nei divertori superiore e inferiore. Il divertore è un componente essenziale di ogni tokamak; funge da “scarico” per il plasma; raccoglie particelle esauste, elio residuo e il calore in eccesso, e li convoglia su superfici appositamente progettate per resistere a condizioni estreme.
Nei reattori futuri, il divertore sarà sottoposto a flussi termici paragonabili a quelli presenti sulla superficie del Sole. La capacità di regolare separatamente il carico termico sui due divertori – superiore e inferiore – offre una flessibilità operativa senza precedenti. Questo processo prolunga la vita utile dei componenti e permette interventi di manutenzione senza dover arrestare completamente l’impianto.
Questa innovazione è stata ottenuta senza compromettere la densità o le prestazioni del plasma principale; un equilibrio delicatissimo che molti ritenevano molto difficile o impossibile da mantenere. Inoltre, esperimenti con iniezione di azoto ai bordi del plasma hanno mostrato che è possibile distribuire il calore su un’area più ampia delle superfici interne; con una riduzione dei picchi localizzati di temperatura. Queste scoperte sono state fondamentali per i tokamak sferici; sono più compatti e quindi più esposti a concentrazioni di calore intense.
Prestazioni record del plasma
Durante la campagna sperimentale, MAST Upgrade ha raggiunto anche prestazioni record del plasma in termini di potenza iniettata e geometria. Per la prima volta, il dispositivo ha ricevuto 3,8 megawatt di potenza tramite il sistema di riscaldamento a fasci di particelle neutre; un valore mai visto prima nella sua storia. Questo livello di potenza permette di studiare plasmi più caldi, più densi e più vicini alle condizioni che si troveranno nei futuri reattori a fusione.
Inoltre, gli scienziati hanno ottenuto la forma di plasma più allungata mai realizzata su questa macchina; un’elongazione di 2,5, ovvero l’altezza del plasma è 2,5 volte la sua larghezza. Una forma così allungata ha un impatto diretto sulla stabilità e sulla capacità di confinamento del plasma. Più il plasma è verticale, più riesce a mantenere alta pressione interna senza collassare o generare instabilità.
Questo è un altro vantaggio chiave per i tokamak sferici; ottenere alte prestazioni con campi magnetici meno intensi e quindi con costi inferiori. Il team di ricerca ha dimostrato che è possibile ottimizzare simultaneamente forma, potenza e stabilità.
Il Regno Unito punta forte sulla fusione con il programma STEP
I risultati ottenuti con MAST Upgrade alimentano direttamente il programma STEP (Spherical Tokamak for Energy Production), l’ambizioso progetto britannico che mira a costruire una centrale a fusione in grado di produrre elettricità netta entro il 2040. Localizzata nell’ex sito di una centrale a carbone nel Nottinghamshire, STEP beneficerà di un investimento governativo di 2,5 miliardi di sterline.
I dati sul controllo delle ELM, sulla gestione del calore e sulla forma del plasma saranno incorporati fin dalle prime fasi di progettazione; con ridotti rischi tecnologici e maggiore probabilità di successo. Non si tratta solo di costruire un reattore, ma di dimostrare che la fusione può essere sicura, pulita, abbondante e, soprattutto, economicamente sostenibile.
Il tokamak sferico, grazie alla sua compattezza e alla sua efficienza, potrebbe offrire un percorso più rapido e meno costoso rispetto ai progetti di grandi dimensioni come ITER. La fusione nucleare, a lungo considerata un sogno lontano, sta finalmente mostrando i contorni di una soluzione concreta e pulita per il fabbisogno energetico del pianeta.
