DPF-Device – La Fusione ad Impulsi!

A settembre vi avevamo parlato di Proto Sphera, un approccio innovativo che riconcepisce i tokamak, le tradizionali camere di reazione, che si propone per raggiungere plasmi molto densi a costi migliaia di volte inferiori rispetto a progetti come ITER. Oggi vediamo un approccio del tutto diverso che mira a portare alle condizioni necessarie alla fusione poca massa per volta, operando a regime impulsivo, estraendo l’energia direttamente dal plasma.
Si chiama Dense Plasma Focus Device (DPF Device), ed è un progetto della LPPFusion. Il dispositivo consiste in due elettrodi cilindrici concentrici. L’elettrodo esterno ha un diametro di circa 16 cm per circa 30 cm di lunghezza. Gli elettrodi sono rinchiusi in una camera a vuoto riempita con un gas a bassa pressione che costituisce i reagenti per la fusione. Affinché si generino più fasci di plasma l’elettrodo esterno è composto da un insieme di più elettrodi.

DPF Device

Un impulso elettrico proveniente da un banco di condensatori passa attraverso gli elettrodi, ionizzando il gas e rendendolo un plasma. Questa intensa scarica elettrica della durata nell’ordine di milionesimi di secondo riscalda il gas e crea un intenso campo magnetico (B). Come avevamo visto per i propulsori MHD (MagnetoHydrodinamic Thruster) la scarica elettrica è descritta da una densità di corrente dislocata radialmente (J) e genera un campo magnetico (B) circolare che giace sul piano perpendicolare alla direzione della scarica.
Ciò genera una forza di Lorentz proporzionale a JxB diretta (come suggerisce anche il prodotto vettoriale) verso la fine dei due elettrodi cilindrici inducendo la superficie di plasma a traslarsi verso quella direzione a velocità (supersonica) e creare dei fili sottili che si avvolgono in dei vortici.

Quando la superficie di plasma giunge alla fine dell’elettrodo esterno, passa verso l’elettrodo interno. Il campo magnetico creato dalle correnti elettriche stesse comprime (pinch) e torce il plasma in un’unica sfera di plasma (plasmoide) estremamente densa dallo spessore di centesimi di millimetro, senza l’ausilio di magneti esterni. Questa nuova geometria del plasma fa collassare i campi magnetici preesistenti molto velocemente, inducendo un campo elettrico che separa gli ioni del plasma dagli elettroni, producendo due fasci opposti. Il fascio di elettroni ad alta velocità riscalda il plasmoide (la sfera di plasma) ad una temperatura equivalente ad oltre un miliardo di gradi centigradi (l’energia delle particelle è nell’ordine dei 100KeV o superiore).
Normalmente le collisioni fra gli elettroni e gli ioni generebbero dei forti impulsi di raggi X (disperdendo energia) attraverso un fenomeno chiamato Bremsstrahlung, ma per la fusione c’è bisogno di minimizzarne la produzione, che altrimenti raffredderebbero il plasma. Per far ciò viene incontro un fenomeno chiamato Quantum Magnetic Field (QMF) Effect. Studiato per la prima volta negli anni 70 per le stelle di neutroni. Tale fenomeno predice che lo scambio di energia fra gli elettroni e gli ioni in presenza di campi magnetici estremamente intensi è ridotto.

Grazie alla temperatura raggiunta gli ioni si scontrano fondendosi in reazioni
1p + 11B = 34He + 8,7 MeV
dove quegli 8,7 MeV contribuiscono a riscaldare il plasmoide conferendogli maggiore energia cinetica. Alla fine del processo il fascio di plasma contiene molta più energia di quella contenuta nell’impulso iniziale che ha innescato il processo. A questo punto avviene la conversione diretta: Il fascio viene decelerato, convertendo la sua energia cinetica in energia elettrica, che in parte servirà per alimentare l’impulso successivo. Alcuni dei raggi X prodotti vengono assorbiti tramite un guscio sferico che contiene l’apparato attraverso l’effetto fotoelettrico (come un pannello fotovoltaico).
L’estrema velocità della reazione, nell’ordine di frazioni di milionesimo di secondo, permette di raggiungere energie così elevate a condizioni che altrimenti non sarebbero possibili.

In generale, la reazione qui proposta è una delle Reazioni Aneutroniche di grande interesse per applicazioni civili. Infatti a differenza della reazione
2D + 3T = 4He + 3,5 MeV + 14,1 MeV 0n
con cui opereranno i tokamak, questa non produce neutroni veloci (a 14,1 MeV sono molto veloci), e nonostante possa innescare reazioni fra i suoi reagenti e prodotti che liberano neutroni, si tratta di neutroni lenti, quindi non dannosi. Da qui si capisce il grande interesse, essendo una fonte di energia pulita.

In questa animazione, come dovrebbero apparire le varie fasi del funzionamento del DPF-Device

La LPP ha indetto anche una campagna di crowfunding per poter continuare lo sviluppo di questa tecnologia.

In copertina: trattamento con le microonde per rimuovere le impurità dagli elettrodi (processo fondamentale affinché avvenga la fusione)
Fonti:LPPFusion,Theory and experimental program for1p-11B Fusion with the Dense Plasma Focus

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A tutto plasma! - Parte II
In questa seconda parte tratteremo delle altre tipologie di propulsori al plasma, quelle più usate, più studiate e forse le più ambiziose.

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