Wendelstein 7-X uno Stellarator da Record

Il Wendelstein 7-X ha acquisito un nuovo record per gli Stellarator. Negli esperimenti scorsi il reattore ha raggiunto temperature e densità del plasma più elevate, impulsi più lunghi ed il record mondiale per il prodotto di fusione. Questa grandezza indica il prodotto fra la temperatura del plasma, la densità del plasma ed il tempo di confinamento dell’energia, che specifica quanto il reattore è vicino ai valori per cui avviene l’Ignizione del plasma. Tale condizione, espressa formalmente dal Criterio di Lawson, indica sostanzialmente per quali parametri il plasma autosostiene le reazioni di fusione senza dover fornire ancora energia al reattore. In altre parole, oltre quali condizioni la macchina produce più energia di quella consumata per tenerla accesa.
Il Wendelstein 7-X all’Istituto Max Planck per la Fisica del Plasma (IPP) a Greifswald. Si tratta del più grande dispositivo a confinamento magnetico del tipo stellarator, diverso dai tradizionali tokamak. Le dimensioni complessive della macchina sono: 16 metri di diametro, 4.5 di altezza ed un volume di circa 30 m³.
Il suo compito è studiare la sostenibilità di questo approccio come generatore di energia elettrica.

Prima di proseguire cerchiamo di capire meglio le differenze fra gli Stellarator ed i Tokamak tradizionali, ripercorrendo anche un po’ di storia.

Con i primi esperimenti di Rutherford ed altri scienziati che ottennero le prime reazioni di fusione nel 1934 bombardando un foglio di metallo contenente deuterio, litio ed altri elementi con degli ioni di deuterio accelerati grazie ad un acceleratore di particelle, si misurò che le reazioni che avvenivano a più bassa energia erano quelle deuterio-trizio, innescate per energie pari a 100 keV.
Un volume di gas le cui particelle si muovono con una velocità tale da avere queste energia corrispondono ad un gas alla temperatura di circa un miliardo di gradi [DPF raggiunse questa soglia nel 2011, clicca qui per approfondire]. Grazie al modello statistico di Maxwell-Boltzmann è possibile stabilire che anche in un gas a temperature più basse possono trovarsi particelle che viaggiano ad energie così elevate, quindi proprio partendo dalla definizione della temperatura come la una media dell’energia cinetica delle particelle di un gas è lecito supporre che ci siano particelle che viaggiano fra una parete e l’altra del contenitore con un’energia superiore ed altre che viaggiano con un’energia inferiore.
Dunque venne ipotizzato che le prime reazioni di fusione fra le particelle più veloci avrebbero rilasciato abbastanza energia per riscaldare tutto il gas ad una temperatura più alta così che tutte le particelle avrebbero potuto contribuire a generare eventi di fusione. Nel 1944 Enrico Fermi dimostrò che la temperatura di questo volume di gas dovesse essere quella di circa 50 milioni di gradi. Da subito fu chiaro che era necessario isolare il gas dalle pareti del reattore, dato che nessun materiale resiste a quelle temperature, e quindi si cominciarono a studiare i vari sistemi di confinamento: elettrostatico, magnetico, inerziale.

Come abbiamo visto i tokamak sono delle “camere toroidali a confinamento magnetico assiale”, in cui il gas, sotto forma di plasma viene indotto a percorrere le linee di forza del campo magnetico presente all’interno della camera prodotto grazie all’ausilio di elettromagneti (elettromagneti superconduttori come nel caso di progetti come ITER o DTT).

Fin dai primi tokamak sovietici ci si rese conto che non era facile comprimere il plasma per ottenere una densità elevata. Già Fermi si rese conto che uno dei primi ostacoli veniva dato dalla forma dei tokamak: i magneti posti intorno al toro si sarebbero trovati più vicini fra loro in corrispondenza del centro della toro invece che all’estremità e ciò avrebbe indotto gli elettroni del plasma a spostarsi su un altra “orbita”, generando una differenza di potenziale all’interno del plasma.
Ciò è possibile perché gli elettroni e gli ioni del plasma sottoposti al campo magnetico generato nella camera ruotano in sensi opposti a causa delle loro cariche opposte. La presenza di una differenza di potenziale significa che ci sono alcune zone con più elettroni (-) ed altre zone con più ioni (+), causando quindi l’espansione del plasma a causa delle forze repulsive fra le particelle con la stessa carica elettrica, dando origine a delle correnti nel plasma e soprattutto abbassandone la temperatura, che è proprio quello che si vuole evitare.
Per evitare ciò, una delle soluzioni analizzate consiste nel modificare le linee di campo magnetico in modo tale da non farle avere un raggio costante. Questo permetterebbe alle particelle del plasma di muoversi attraverso il raggio della sezione del toroide, sia verso l’interno e sia verso l’esterno (compiendo uno spostamento completo in un giro). Nel tokamak questo viene in parte ottenuto combinando il campo magnetico toroidale con il campo magnetico poloidale prodotto dalla corrente del plasma (corrente di bootstrap), mentre nello stellarator il campo magnetico elicoidale è generato esclusivamente dalle bobine elicoidali, che nel caso del X-7 Wendelstein sono realizzate attraverso bobine modulari asimmetriche.

Diversamente dalla prima fase di sperimentazione del 2015-2016 la camera a vuoto del W.7-X è stata rivestita internamente con piastrelle di grafite, consentendo di raggiungere temperature più elevate e scariche di plasma più lunghe. Con questo divertore è anche possibile controllare la purezza e la densità del plasma: le piastre del divertore seguono il contorno della superficie del plasma in torsione sotto forma di dieci larghe strisce che corrono lungo la parete della camera a vuoto, il contenitore del plasma. In questo modo proteggono in particolare le aree del muro su cui sono costrette a colpire le particelle che fuoriescono dal bordo dell’anello di plasma, (per approfondimenti sui divertori potete leggere questo approfondimento sul DTT). Da qui le impurità e le interferenze vengono neutralizzate e pompate fuori dalla camera.

Le prime esperienze con i nuovi elementi della parete sono altamente positive, ha affermato il Professor Dr. Thomas Sunn Pedersen. Mentre sono state ottenuti impulsi di sei secondi dalle prime operazioni, ora viene prodotto plasma fino a 26 secondi. Più di 75 megaJoules di energia può essere fornita al plasma per riscaldarlo, ed è 18 volte di quanto era nella prima fase di operazioni senza divertore. La potenza di riscaldamento può ancora essere incrementata, ed è un prerequisito per plasmi ad alta densità.

In questo modo è stato possibile ottenere un nuovo valore record per il prodotto di fusione di circa 6 x 10²⁶ gradi per secondo su metro cubo, con una temperatura del plasma di 40 milioni di gradi centigradi ed una densità di 0,8 x 10²⁰ particelle per metro cubo, portando il reattore ai valori richiesti per “ignire” il plasma. “Questo è un valore eccellente per un dispositivo di queste dimensioni. Raggiunto inoltre in condizioni realistiche, cioè ad una temperatura del plasma” commenta il Professor Sunn Pedersen.
Il tempo di confinamento dell’energia raggiunto, misurando la qualità dell’isolamento termico del plasma confinato magneticamente, indica con un imponente 200 millisecondi che l’ottimizzazione numerica su cui si basa Wendelstein 7-X potrebbe funzionare.

Il fatto che l’ottimizzazione abbia effetto non solo rispetto all’isolamento termico si dimostra anche nel fatto che la corrente di bootstrap si comporta come previsto. Ciò è testimoniato dalla valutazione ormai completata dei dati sperimentali della prima fase di sperimentazione, avvenuta da dicembre 2015 a marzo 2016. Questa corrente elettrica è indotta dalle differenze di pressione nel plasma e potrebbe distorcere il campo magnetico su misura. Comportandosi come previsto le particelle provenienti dal bordo del plasma non interferirebbero più con l’area destra del divertore. La corrente di bootstrap negli stellarator dovrebbe quindi essere mantenuta il più bassa possibile proprio perché come visto prima il campo magnetico elicoidale di questi dispositivi è prodotta dalle bobine, quindi la presenza di una corrente nel plasma andrebbe ad interferire con il campo magnetico generato. L’analisi ha ora confermato che questo è stato effettivamente realizzato nella geometria ottimizzata del campo. “Così, già durante la prima fase di sperimentazione si potevano verificare aspetti importanti dell’ottimizzazione“, afferma il dott. Andreas Dinklage. “Una valutazione più precisa e sistematica si verificherà in ulteriori esperimenti con una potenza di riscaldamento molto più elevata e una pressione plasmatica più elevata“.

Dalla fine del 2017 Wendelstein 7-X ha subito ulteriori ampliamenti: questi includono nuovi strumenti di misurazione e sistemi di riscaldamento. Gli esperimenti sul plasma verranno ripresi a luglio. L’estensione principale è prevista per l’autunno 2018: le attuali piastrelle in grafite del divertore devono essere sostituite da componenti in carbonio-carbonio rinforzato raffreddati ad acqua. Dovranno consentire scariche fino a 30 minuti, durante le quali sarà possibile verificare se Wendelstein 7-X soddisfa permanentemente anche i suoi obiettivi di ottimizzazione.

In Copertina: Le piastrelle in grafite che rivestono la camera a vuoto.
Fonte: IPP