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.

Panoramica dell’Esperimento

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 come scarica elettrica fra due giganteschi elettrodi. 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, motivo per cui questa tipologia di reattori viene anche chiamata Spheromak.

Quindi a differenza dei tokamak tradizionali, dove la Forza di Lorentz viene usata per creare l’effetto bottiglia magnetica che intrappola il plasma grazie al campo magnetico, qui viene usata anche per farlo ruotare.

Sfruttare l’Instabilità a Proprio Vantaggio: La Riconnessione Magnetica

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, sfruttando il fenomeno della riconnessione magnetica. In determinate condizioni le linee del campo magnetico di un plasma si possono disconnettere e riconnettere, trasformando l’energia magnetica del plasma viene convertita in energia cinetica del plasma stesso.

E’ lo stesso fenomeno lo troviamo come causa delle eruzioni solari. Ciò verrebbe sfruttato anche per riscaldare il plasma, evitando di dover installare sistemi di riscaldamento esterni, come i generatori di microonde come nei tokamak tradizionali.

Il toroide sferico viene compresso da ulteriori bobine apposite esterne.

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.

Stato dei Lavori

Fino al 2019 l’esperimento dell’ENEA di Frascati ha operato prevalentemente con gas argon, per studiare il comportamento della colonna centrale di plasma.
Nelle prime fasi si usa argon poiché essendo un gas nobile, è chimicamente inerte.

Il reattore ad inizio 2019 è stato ottimizzato sia per lavorare con l’idrogeno (il reagente di queste reazioni nucleari) e raggiungere compressioni maggiori. Per questo sono state effettuate importanti modifiche sia strutturali e sia tecniche, come l’aggiunta di ulteriori bobine polari, passare dalla camera a vuoto donata dall’esperimento anglosassone START ad una nuova camera in PMMA (Plexiglass), necessaria per garantire l’isolamento elettrico fra i due elettrodi. Rendendola anche la camera a vuoto in PMMA più grande del mondo. Poichè si tratta di vuoto spinto, le pareti della camera sono spesse ben 9 cm!

Proto Sphera ha cominciato i test nella sua seconda fase sperimentale nel 2021. Lo scopo è controllare la riconnessione magnetica per destabilizzare la colonna in un toroide sferico, mantenerlo e comprimerlo usando l’idrogeno al posto dell’argon. Potrà testare plasmoidi con correnti fino a 300 kA.

Pro & Contro

Ricapitolando, i principali vantaggi rispetto a Tokamak e Stellarator 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 [circa l’1%].
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 ibrido magnetico – elettrostatico (con possibilità di esplorare la possibilità di funzionamento in regime stazionario).
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, come approfondito in A Tutto Plasma Parte III .

Mentre di contro:
1) E’ un approccio nuovo che potrebbe rivelarsi fallimentare rispetto ai più studiati Tokamak e Stellarator, ancora non sperimentato nella sua interezza.

Ma del resto, è così che si fa Scienza ed Innovazione!

Esperimenti Simili

Come approccio simile al Proto-Sphera esiste il reattore sperimentale della Lockheed Martin “Compact Fusion“. In quanto gestito da un’azienda privata, abbiamo poche notizie a riguardo.

In Copertina: Proto Sphera durante un test di riscaldamento del catodo. Fonte: ENEA

Consigli di Lettura

Per una panoramica più ampia sulla fusione nucleare vi consiglio di leggere: Fusione Nucleare- Istruzioni per l’Uso.

[EDIT- Aggiornamento 15-11-2022]

Fonte: ENEA-Frascati, ENEA