Il super freddoincontra il super caldo Understand article

Tradotto da: Rocco G. Maltese. Per rifornire in continuazione il suo reattore, l'impianto dell'EFDA-JET spara delle piccole palline (pellet) di idrogeno congelato nel plasma a 150 milioni di gradi C. In compenso anche queste sferette ne ottengono un beneficio.

Foto per gentile concessione di EFDA JET

Alla centrale EFDA-JET, vicino ad Oxford in Inghilterra, stiamo lavorando allo sviluppo della fusione nucleare – la reazione che alimenta il sole – come una nuova fonte di energia. L’energia di fusione si produce quando dei nuclei collidono e si combinano. Come combustibile, il JET utilizza due isotopi pesanti dell’idrogeno: il deuterio, che ha un neutrone e un protone, e il trizio che ha due neutroni e un protone. Quando un nucleo di deuterio collide un nucleo di trizio si fondono per creare un nucleo di elio, l’energia che viene rilasciata e’ così’ grande che 1g di combustibile formato da deuterio-trizio produce l’energia sufficiente a bruciare 10 tonnellate di carbone. Nella macchina del JET, riscaldiamo il combustibile di fusione a 150 milioni di gradi °C. A questa temperatura, il combustibile si trasforma nel quarto stato della materia, il plasma, nel quale gli elettroni si sganciano dagli atomi per diventare un gas di ioni ed elettroni. Il plasma viene confinato all’interno di un contenitore a forma di ciambella col buco nella camera del reattore mediante i forti campi magnetici.

Uno dei problemi che deve affrontare la ricerca sulla fusione è quello di come ottenere che l’ idrogeno possa rifornire in modo efficiente il plasma data una così alta temperatura – la soluzione a ciò’ risolverebbe due problemi.

Alimentare il plasma

In una reazione nucleare di
fusione, l’energia viene
prodotta quando l’idrogeno
super pesante (trizio) collide
con l’idrogeno pesante
(deuterio) e si trasforma in
elio più un neutrone libero.

Foto per gentile concessione
di Nicola Graf

Se noi semplicemente inserissimo del gas di deuterio-trizio all’interno della camera, la maggior parte di esso verrebbe sprecato e non raggiungerebbe mai il centro del plasma. Invece, a tale temperatura elevata, il gas di molecole incontra le particelle cariche del plasma non appena raggiungono il margine del plasma. Queste particelle collidono con il gas, e lo ionizzano, e il gas ionizzato viene a far parte esso stesso, del plasma. Poichè la maggior parte della ionizzazione avviene in vicinanza del confine del plasma, queste particelle ionizzate si muoveranno lungo le linee di flusso del campo magnetico. Quelle particelle che sono troppo distanti seguiranno le linee che non si richiudono su se stesse; invece di diventare parte del plasma a ciambella, esse andranno a scontrarsi con una delle pareti e andranno perse. E’ probabile persino che particelle che si trovino un poco all’interno del plasma, vengano fatte rimbalzare all’indietro verso l’esterno del flusso, nell’istante in cui collidono con le altre particelle del plasma.

Una soluzione più redditizia è quella di sparare delle sferette di idrogeno congelato all’interno del plasma. Se queste sferette si muovono abbastanza velocemente, possono arrivare in prossimità dell’interno del plasma prima che possano evaporare e diventare, quindi, parte del plasma, una piccola parte si perderà ma quasi tutte le altre sferette si troveranno all’interno del plasma. Così, sebbene abbiamo l’obiettivo finale di riscaldare il combustibile a milioni di gradi, abbiamo bisogno di raffreddarlo prima, a temperature non molto al di sopra dello zero assoluto, dove l’idrogeno raffreddandosi, si solidifica. Sistemi che iniettano tali sferette nel plasma, sono stati sottoposti a sperimentazione negli ultimi 20 anni in un certo numero di macchine, compreso il JET.

Effetti benefici

Di recente, si è scoperto che quando queste sferette fredde raggiungono il margine del plasma di fusione, sono in grado di pilotare ciò che viene detto modo localizzato al margine (ELM), cioè una rapida impennata nell’espulsione di energia proveniente dal plasma – analogo ad un brillamento solare.

Questa espulsione di energia è diventata un argomento di primaria importanza nella ricerca della fusione, ve ne sono di abbastanza grandi tali da danneggiare la camera di reazione. Nel JET, abbiamo ricoperto queste superfici con del metallo al tungsteno e berillio, che ha il vantaggio di assorbire meno combustibile idrogeno delle superfici al carbonio precedentemente utilizzate. Tuttavia, non è possibile ottenere qualcosa gratuitamente, senza pagarne il prezzo, queste pareti sono maggiormente soggette a danneggiarsi a causa degli ELM.

L’iniettore di sferette
Foto per gentile concessione
di EFDA JET

Gli ELM non sono proprio pilotati dalle sferette – essi avvengono spontaneamente nel plasma ad “alto rendimento” e bisogna ancora fare parecchio lavoro per ridurne l’impatto. Gli ELM avvengono ad intervalli regolari e nell’intervallo tra gli ELM, la pressione nel plasma aumenta raggiungendo un livello che non più sostenibile. A questo punto, vengono rilasciate brutalmente sia particelle che energia, sino al verificarsi dell’ELM successivo. Stiamo cercando di trovare il modo di evitare gli ELM, ma l’eliminazione si può ottenere solo ad un costo elevato, con un drammatico calo nel rendimento del plasma. Ci stiamo muovendo invece, in direzione opposta cercando di provocare gli ELM con una frequenza maggiore e quindi con una più bassa energia, in modo da non provocare danni.

Questo è dove si è scoperto che il combustibile di sferette “pilota” l’evento dell’ELM – nello stesso modo in cui rialimenta il reattore, è come se possedessero a loro disposizione nel loro repertorio un altro elemento di controllo degli ELM. Possiamo considerarlo alla stessa stregua di un “solletico” al margine del plasma, e che lo fa starnutire. Affinché le sferette possano solleticare il margine del plasma, non c’è bisogno che vadano molto all’interno, cos’ possiamo utilizzare sferette più piccole che sono necessarie ad inserire combustibile all’interno del plasma. Questa è una fortuna, dato che abbiamo bisogno di pilotare gli ELM fino a 50 volte al secondo, avremmo bisogno di inserire nel plasma molto di più deuterio-trizio se usassimo le sferette della dimensione standard.

Nel sistema JET dell’iniettore di sferette, le sferette di diametro da 1-4 mm sono prodotte dall’iniettore PELIN ad alta frequenza (HFPI) e trasmesse attraverso un tubo di 1 cm di diametro ad una distanza di 10-15 metri con una frequenza di 50 sferette al secondo. Dopo che le sferette sono state sparate dal HFPI, la camera diagnostica con l’ausililio di macchine fotografiche, controlla la dimensione e la velocità delle sferette. A questo punto, le sferette entrano in uno dei tre tubi di lancio, ciascuno dei quali è collegato alla camera di reazione in posizioni differenti. In questa rappresentazione schematica la dimensione del HFPI è ingrandita di un fattore 3 rispetto alla macchina JET
Foto per gentile concessione di EFDA JET

Con questo schema in mente, è stato messo in funzione al JET un più versatile iniettore di sferette ad alta frequenza. Funziona all’incirca come una mitragliatrice e può sparare sequenze molto lunghe di sferette di dimensioni differenti. Per rifornire il plasma, possono essere iniettate sino a 15 grandi sferette da (10–50 mm3) al secondo, ma questo strumento si può usare anche per sparare sino a 50 piccole sferette da (2–3 mm3), per pilotare ELM più piccoli.

Questo distributore a mitragliatrice ha portato la fusione, inesauribile fonte di energia, non ad un passo ma bensì a due più vicini alla sua realizzazione. Il processo di rifornimento del plasma è ora più efficiente, e I supposti problematici effetti collaterali sono stati imbrigliati a propri benefici. Adesso sappiamo come affrontare gli ELM, una delle sfide più complicate nel funzionamento di un reattore a fusione.

Una sferetta grande e una piccola di deuterio congelato sono state fotografate nell’istante in cui entrano nel plasma a 150 milioni di °C
Foto per gentile concessione di EFDA JET

L’iniettore di sferette, prodotto dalla PELIN di St. Pietroburgo in Russia, genera un flusso continuo di ghiaccio di deuterio all’interno di una vite verticale, raffreddato da elio liquido. Con la temperatura al di sopra di quella di congelamento del deuterio, all’inizio della vite, e al di sotto del punto di congelamento, nel punto in basso della vite, il deuterio entra come gas dall’alto prima di condensarsi e congelarsi muovendosi verso il basso attraverso il condotto a vite. Quando la vite gira, spinge il deuterio a 18 K (-255 °C) verso il fondo. Da questo materiale solido, vengono tagliati questi “proiettili” (quello che abbiamo chiamato sino ad ora sferette) sottoforma di piccoli cilindretti, prima di essere sparati verso il plasma, con un meccanismo equivalente ad un fucile ad aria compressa. Se il ghiaccio è troppo caldo, le sferette si fonderanno lungo la via verso il plasma; se è troppo freddo, il ghiaccio sarà così duro che si frantumerà nell’istante in cui viene tagliato. Quando le sferette lasciano il “fucile”, i loro guai non sono finiti. Devono affrontare ancora un percorso piuttosto tortuoso lungo da 10-20 metri, e montagne russe di tubazioni prima che possano arrivare a svolgere il loro compito all’interno del plasma.

 

Di più sul EFDA-JET

Il Progetto Congiunto Torus (Joint European Torus (JET))w1 investiga che il potenziale della fusione possa rappresentare una fonte di energia praticamente inesauribile, pulita e sicura. Si possono creare nel plasma, le condizioni (100-200 milioni di °C) sufficienti affinché i nuclei di deuterio e trizio si fondino, ottenendo la generazione di una potenza di fusione in uscita, di 16 MW. Questa cooperazione congiunta, JET, è condivisa da oltre 40 laboratori di fusione Europei. L’Accordo Europeo per lo Sviluppo della Fusione (European Fusion Development Agreement) (EFDA), fornisce la piattaforma per lo sfruttamento del JET, con più di 350 scienziati ed ingegneri provenienti da tutta Europa che contribuiscono attualmente al programma JET. Mentre gli impianti per la fusione utilizzano il combustibile proveniente dalla reazione deuterio-trizio, gli esperimenti sulla fusione utilizzano la reazione duterio-deuterio per evitare di lavorare con il trizio radioattivo. Il JET, attualmente è l’unico strumento per la fusione autorizzato a lavorare con il trizio. Esso viene utilizzato molto raramente solo per specifici esperimenti.

L’ EFDA-JET è un membro dell’EIROforumw2, l’editore di Science in School.

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Web References

  • w1 – Per saperne di più sul EFDA-JET.
  • w2 – EIROforum è una collaborazione tra le otto maggiori organizzazioni inter-governative per la ricerca scientifica, le quali coordinano le proprie risorse, strutture e capacità in supporto alle scienze in Europa nel raggiungimento del suo pieno potenziale. Come parte integrante delle sue attività nell’educazione e sensibilizzazione, pubblica Science in School.

Resources

Institution

EUROfusion

Author(s)

Fino a poco tempo fa , il Dr Phil Dooley è stato un dirigente al EFDA-JET. E’ nato a Camberra in Australia, e ha completato il suo PhD in fisica del laser alla Australian National University. Per evitare l’accademia, si è impiegato come IT a Rarotonga, Cook Islands (Isole di Cook), per 18 mesi, prima di ritornare in Australia e occuparsi dell’addestramento software. Il suo amore per le scienze lo ha riportato alla fisica, questa volta come divulgatore, gestendo un programma di sensibilizzazione presso l’Università di Sydney. Nel Ottobre del 2011, Phil si è unito al team dell’EFDA-JET nell’Oxforshire, UK. La malinconia di casa lo ha richiamato in Australia dove ora lavora come autore scientifico per l’Australian National University e la rivista Cosmos.

Morten Lennholm è un ingegnere presso il JET. SI è laureato alla Technical University of Denmark, specializzandosi Ingegneria delle Microonde e Controlli (Microwave and Control Engineering). Morten ha completato la sua tesi per il master al CERN di Ginevra, e avendo gustato l’ambiente internazionale, ha fatto domanda per un posto presso i laboratori di tutta Europa. Si unito al EFDA nel 1987 intendendo rimanervi solo per due anni ma egli oggi è ancora lì. Una delle sue ricerche riguarda il futuro dell’iniettore di sferette ad alta frequenza.


Review

Questo articolo descrive le attività di ricerca che stanno a monte dello sviluppo di un metodo per la produzione di energia elettrica a partire dalla fusione di nuclei atomici leggeri – come accade nel sole. Il maggiore esperimento sulla fusione – il JET – è stato realizzato a Cilham, UK.
L’articolo fornisce agli insegnanti di fisica e di scienze una breve introduzione su come funziona la fusione e descrive in dettaglio come rifornire un reattore a fusione che utilizza come carburante delle sferette di idrogeno congelato. Perciò, questo articolo dovrebbe essere utile non solo ai fisici ma anche ai chimici per una discussione sulla produzione di energia e sostenibilità.

L’articolo stimola a formulare domande sulla comprensione, ad esempio:

  • Come funziona, in generale, la fusione? 
  • Cosa è il plasma? Descrivi alcuni modi di generare il plasma.
  • Descrivi I differenti stati della materia.
  • Descrivi un modo per rifornire reattore a fusione del tipo tokamak. A quali problemi si può incorrere?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, (Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente ed Economia) Yspertal, Austria




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