KSTAR Tokamak: Un nuovo record

Il tokamak coreano KSTAR ha conseguito il record di confinamento di 20 secondi per un plasma con una temperatura degli ioni di 100 milioni gradi K. Vediamo insieme cosa significa

Panoramica del Reattore

Il Korea Superconducting Tokamak Advanced Research KSTAR, è il tokamak per la ricerca sulla fusione nucleare che usa magneti superconduttori della Corea del Sud. Situato presso il Korean Istitute of Fusion Energy (KFE) a Daejeon, è uno dei pochi tokamak attualmente in funzione che usano questa tecnologia, permettendo di produrre campi magnetici di 3.5 T di intensità. E’ in grado di gestire correnti del plasma di 2 MA, che sono veramente mooolti ampere. Per fare un confronto, se il vostro impianto elettrico di casa è impostato sui 3.3 kW, nei vostri fili potrà scorrere una corrente massima di circa 15 Ampere usando tutta la potenza disponibile. Quelle in KSTAR sono correnti 133 000 volte più intense!
Essendo un Tokamak, la camera a vuoto è di forma toroidale (ciambella), avente un raggio massimo [R0] di 1.8 m ed un raggio minimo [a] di 0.5 m. Quindi un Aspect Ratio [AR] di 3.6.

Toro di AR 3.6 plottato con MATLAB

Vantaggio di usare magneti superconduttori

I Tokamak sono delle macchine che usano il campo magnetico per tener il plasma lontano dalle pareti per non fonderle e soprattutto per non permettere un massiccio scambio termico fra il plasma e le pareti. Infatti fra il plasma e le pareti c’è un vuoto spinto paragonabile solo al vuoto cosmico od al vuoto presente negli acceleratori di particelle. Maggiore è il tempo per cui il plasma viene confinato, per più tempo si potrà riscaldare. Fino a raggiungere una temperatura minima di 40 milioni di gradi centigradi in grado di innescare spontaneamente i fenomeni di fusione nucleare.

Per far ciò i magneti devono produrre dei campi tanto più intensi tanto maggiori sono le correnti del plasma. E per evitare che si creino delle correnti spurie che minino la dinamica del plasma, i campi devono poter variare nel tempo e sono dunque prodotti con degli elettromagneti. Usare la tecnologia tradizionale impiega molta più energia a causa delle perdite negli avvolgimenti di rame dovute all’effetto joule (dovuta alla resistenza del materiale). E se viene a mancare l’alimentazione, il magnete si spegne. Invece usando i magneti superconduttori il campo magnetico una volta indotto rimane a causa della resistività assente del materiale nello stato di superconduttore, permettendo di poter spegnerne l’alimentazione. Inoltre riesce a sostenere correnti di intensità elevatissime. Sappiamo comunque che questa non è l’unica soluzione, e ve ne abbiamo parlato infatti qui: L’Esperimento Proto Sphera

L’unico problema di questo sistema è dover portare i magneti a temperature a qualche manciata di gradi al di sopra dello zero assoluto. Ciò richiede degli impianti criogenici che crescono di dimensione e complessità con le dimensioni dei magneti da raffreddare.

Riscaldamento

Il plasma di KSTAR viene riscaldato attraverso l’iniettori di fasci neutri (NBI), la risonanza ionica ciclotronica (ICR), la risonanza elettronica ciclotronica (ECR) e radiofrequenze (RF), per una potenza totale di 28 MW.

Panoramica del reattore e degli strumenti che lo circondano. Fonte: Youtube

Confinamento

Più un plasma è caldo, maggiore è la sua energia, e di conseguenza per poterlo confinare servono dei campi magnetici più intensi. Nonostante già in passato altri Tokamak sono riusciti a confinare del plasma per più tempo, come l’EAST che ha confinato un plasma di 50M K per 100 secondi, KSTAR è riuscito a confinare un plasma di 100M K per 20 secondi, conseguendo un nuovo traguardo. Questo significa che il reattore è riuscito a produrre più energia di quella che consumava? NO, perché non è lo scopo di questi esperimenti. Prima di riuscire ad erogare l’energia dalla fusione, bisogna avere dei reattori strutturati per poter assorbire la potenza prodotta dalla fusione in maniera efficiente, e prima di questo passo, dei reattori in cui si riesca a controllare il plasma. Infatti questo test non è stato eseguito con un plasma di Deuterio e Trizio (i reagenti candidati a funzionare nei tokamak), ma solo Prozio (Idrogeno).

Vedremo in dettaglio ciò in un altro articolo Fusione Nucleare – Istruzioni per l’Uso.
Potrete trovare altri articoli sulla Fusione Nucleare nel nostro archivio: Fusione Nucleare

In Copertina: Fotomontaggio di una foto dell’interno della camera a vuoto del reattore con una foto di un plasma tratto da questo articolo del 2013.

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