L’esperimento Proto-Sphera

Vi capita mai di pensare, quando guardate le stelle o mentre vi godete il calore del sole, che state ricevendo l’energia erogata da milioni di atomi che si sono fusi nel nucleo di una stella migliaia od addirittura milioni di anni fa; e che questa energia attraversi milioni di chilometri ed anni luce giungendo fino a noi?

Quest’energia è l’energia erogata dalle reazioni di fusione nucleare, liberata unendo atomi in atomi più pesanti. Quasi tutta la materia di cui siamo composti è stata assemblata con questo processo nei cicli vitali delle stelle.

Quando pensiamo alla fusione nucleare per erogare energia pensiamo subito ai grandi progetti come ITER, ed in generale ai tokamak (le camere toroidali a confinamento magnetico), ma la ricerca non è attiva solo su questo approccio. In generale l’obiettivo è quello di creare plasmi più densi possibile.

Un approccio innovativo ai tokamak, soprattutto per la sua semplicità realizzativa, è quello di Proto-Sphera. L’innovazione consiste nello sfruttare il plasma stesso (che di natura ha una conducibilità elettrica molto alta) per creare un campo magnetico solenoidale molto intenso senza la necessità di ricorrere a magneti superconduttori. Per far ciò si crea una colonna di plasma centrale. Questa è la chiave del reattore.

Infatti il campo elettrico (E) indotto dal plasma stesso sugli elettrodi anulari è modellato nella forma desiderata affinché questi interagisca con il campo magnetico (B) prodotto dalle bobine polari a seconda di dove questi si trova, dando origine ad una Forza di Lorentz (ExB) che varia a seconda che agisca vicino l’anodo o vicino il catodo. Questa differenza aiuta il plasma a ruotare su se stesso e destabilizzarsi in un toroide sferico.

a


Nei comuni reattori si cerca di evitare che si formino delle instabilità, perché queste possono far uscire il plasma dalla traiettoria stabilita dal campo magnetico e danneggiare le pareti interne del reattore. Per cercare di limitare ciò, si modella la superficie del toroide di plasma in modo tale da far concentrare le instabilità in una zona che può essere danneggiata, chiamata divertore.

Invece nel Proto-Sphera si frutta l’instabilità: rendendo la colonna instabile, questa collassa in un toroide sferico (a), sfruttando il fenomeno della riconnessione magnetica: un fenomeno che avviene nel plasma in cui l’energia magnetica del plasma viene convertita in energia cinetica del plasma stesso. Lo stesso fenomeno lo troviamo alla causa delle eruzioni solari . Ciò verrebbe sfruttato anche per riscaldare il plasma, evitando di dover installare generatori di microonde come nei tokamak tradizionali (b).
(b)

(a)



Inoltre il toroide sferico verrebbe compresso da ulteriori bobine apposite.

Grazie a ciò si raggiungerebbero le condizioni che garantirebbero un’alta densità di eventi di fusione nucleare riuscendo a raccogliere più energia di quella usata per rendere operativo il reattore. Per il momento l’esperimento dell’ENEA di Frascati ha operato con il gas argon, studiando il comportamento della colonna centrale di plasma. In futuro verrà ottimizzato per lavorare con l’idrogeno (il reagente di queste reazioni nucleari) e subirà varie modifiche sia strutturali che tecniche, come l’aggiunta di ulteriori bobine polari e testarlo nella seconda fase (controllare la riconnessione magnetica per destabilizzare la colonna in un toroide sferico, mantenerlo e comprimerlo usando l’idrogeno al posto dell’argon).

Quindi i principali vantaggi sarebbero:
1) Campi magnetici più intensi senza usare magneti superconduttori.
2) La camera di reazione ha una forma cilindrica invece che toroidale, più semplice da realizzare e modificare.
3) Costo di gran lunga inferiore rispetto ad un tokamak tradizionale a parità di prestazioni.
4) Dimensioni ridotte (2,5m x 1,0).
5) β = pressione del plasma/pressione magnetica ~ 1 che indica un’elevata efficienza del reattore.
6) Confinamento magnetico misto ad elettrostatico.
7) Il plasma inizia a ruotare spontaneamente grazie alla forza di Lorentz
8) E’ già predisposto per essere usato come un propulsore a fusione per l’impiego spaziale.

Contro:
1) E’ un approccio nuovo che potrebbe rivelarsi fallimentare, ancora non sperimentato nella sua interezza.

Come approccio simile al Proto-Sphera esiste il reattore sperimentale della Locheed Martin “Compact Fusion“.

Fonte: ENEA-Frascati

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2 pensieri riguardo “L’esperimento Proto-Sphera

  • gennaio 29, 2018 in 1:03 am
    Permalink

    Grazie per l’ottimo riassunto che avete fornito sull’esperimento PROTO-SPHERA, quanto scrivete e’ del tutto corretto. Fosse cosi’ tutta la divulgazione scientifica in Italia!
    Aggiungo per vostra informazione che vi sono buone novita’:
    1) L’esperimento PROTO-SPHERA e’ stato incluso nel piano triennale ENEA, ed e’ la prima volta che accade.
    2) La direzione di Frascati ha garantito lo stanziamento dei fondi per completare l’esperimento (2 M€ oltre ai 2 M€ spesi tra il 2007 ed oggi), una cifra comunque 100 volte inferiore a quanto costa un Tokamak di tipo ‘nazionale’ e addirittura 10000 volte inferiore a quanto costera’ ITER (se mai riusciranno a terminarlo e a metterlo in funzione…)
    3) Abbiamo le prime misure di densita’ elettronica media della colonna centrale di PROTO-SPHERA, ed essa e’ con 8 kA di corrente longitudinale di plasma di circa 1.5 10^21 elettroni per m^3! Un numero superiore a quello di qualsiasi Tokamak! …anche quelli ad alto campo… Tale densita’ sembra crescere con la corrente di plasma, facendo intravedere una colonna centrale densa 10^22 per m^3 a 60 kA, ben capace di emettere un toro di plasma denso 10^21 per m^3; se dei 20 MW che a quel punto entreranno nel plasma complessivo, alcuni MW riusciranno a passare dalla colonna al toro tramite le riconnessione magnetiche, potremmo ritrovarci con un toro denso 10^21 per m^3 e con temperature di keV… se son rose fioriranno!

    Risposta
    • marzo 11, 2018 in 11:00 am
      Permalink

      Salve Dottor Alladio siamo veramente contenti di ricevere questo suo feedback. Numeri e risultati veramente importanti!
      Speriamo di avere presto altre novità da PROTO-SPHERA e leggere qualche nuova pubblicazione!

      Risposta

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