Un Sole Artificiale si è acceso ad EAST?
Capiamo meglio cosa è successo in Cina nel reattore EAST nelle scorse settimane per capire se sia stato accesso effettivamente un sole artificiale
Cosa è Successo?
L’esperimento EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) ha raggiunto il 30 Dicembre 2021 l’obiettivo prefissato di confinare un plasma a 70 milioni di gradi Celsius per oltre 1000 secondi. 1056 per la precisione, circa 17 minuti. Alcune testate e blog riportano 126 Milioni di Gradi Celsius, quando in realtà quel numero è espresso in gradi Fahrenheit. Nell’esperimento è stata confinata un’energia di 1,71 GJ.
A cosa serve?
Confinare un plasma caldo per più tempo possibile è la chiave per realizzare dei reattori in grado di fornire energia dalla fusione nucleare. L’obiettivo delle ricerche sul confinamento magnetico è riuscire a confinare un plasma caldo per un tempo indefinito. Per la precisione non un plasma caldo a piacere, ma alle temperature che igniscono (accendono) la fusione.
E’ anche un prerequisito fondamentale se si vuole costruire una centrale energetica che sfrutta questo sistema, ma è importante anche perché il plasma ha bisogno di tempo per essere riscaldato fino alle temperature necessarie.
L’ignizione è quello stato del plasma oltre cui la reazione di fusione diventa esotermica, cioè avviene spontaneamente fornendo energia. Finché non si raggiungono queste condizioni è una reazione endotermica e perciò richiede energia. Anche se si riesce a riscaldare il plasma abbastanza da innescare delle prime reazioni di fusione, è necessario continuare a riscaldarlo, altrimenti la fusione cessa.
Infatti il problema non è riuscire a fare la fusione, ma a farla spendendo meno energia di quella necessaria per renderla spontanea e per far ciò richiede tempo.
Confinare un plasma ad alte temperature è difficile perché si generano delle instabilità che lo portano fuori traiettoria. Risolverle, e prevenirle, è il motivo alla base degli studi sulla Fusione Nucleare. A fine articolo vi rimando a degli approfondimenti a riguardo.
Quindi è stato acceso un Sole Artificiale e prodotta energia?
No. Finché questi reattori non saranno in grado di confinare il plasma per un tempo indeterminato non sarà usata la miscela che farà da combustibile nucleare, se non a scopo di ricerca. Per test di questo livello viene usato od Idrogeno [p] o Deuterio [2D], che è solo parte del combustibile nucleare. Per indurre la fusione è necessario che ci sia anche il Trizio, perché le reazioni fra deuterio e deuterio [2D + 2D] richiedono un’energia più elevata.
Infatti il plasma è stato portato a temperature ben più elevate del minimo necessario all’ignizione della fusione fra deuterio e trizio, che è di circa 50 Milioni di Gradi Celsius. Se non fonde, non è una stella!
C’è anche un altro motivo per cui non ha prodotto energia
In genere questi reattori sperimentali non sono progettati per sostenere l’intenso flusso termico e di neutroni che verrebbe irradiato dalla fusione. Infatti bisogna ricordare che la reazione nucleare principe dei nostri progetti per imbrigliare la fusione fornisce la maggior parte dell’energia prodotta attraverso l’emissione di neutroni che acquisiscono 14, 1 MeV di energia. Per questo motivo sono chiamati neutroni veloci.
2D + 3T → 4He + 3,5 MeV + 14,1 MeV 0n
La camera a vuoto di queste macchine ha una parte chiamata Divertore. E’ la parte delle strutture interne situata dove si concentrano i carichi termici ed è appositamente progettata per sostenerli.
Il fatto che si concentrino in una zona è dovuto alla presenza di zone del volume della camera dove il campo magnetico si annulla e si chiude sulle pareti invece che su se stesso. Questa condizione modifica la diffusività di ioni ed elettroni, e di conseguenza li convoglia verso queste zone della camera. Sono simili ai rivestimenti termici delle navicelle spaziali, con la differenza che non sono ablativi. Lo sviluppo di questi dispositivi è di fondamentale importanza per la produzione di energia.
Nei futuri reattori saranno anche responsabili della prima conversione di energia. Avverrebbe sia frenando i neutroni e particelle α [4He] (processo che riscalda il materiale), e sia attraverso la spallazione con il Litio, la reazione nucleare necessaria per convertire il litio in Trizio [3T] e che rilascia calore.
Il Divertore è costituito internamente da metalli molto densi, così da essere un buon conduttore di calore e quindi riscaldare efficientemente serpentine piene d’acqua che lo attraversano. L’acqua ha il ruolo di fluido vettore in un classico ciclo di conversione termodinamico (Brayton-Joule). Il Trizio prima citato è parte del combustibile nucleare ed attualmente richiederebbe di essere prodotto esternamente in reattori a fissione nucleare. Farlo produrre direttamente dal reattore a fusione è una mossa astuta per essere indipendente da futuri rifornimenti.
Quindi serviranno ancora ulteriori sviluppo per poter affermare di essere riusciti ad accendere un Sole Artificiale
Questo significa che la Cina è più avanti sulla fusione?
Non è corretto affermare questo. Il reattore EAST sperimenta delle tecnologie che verranno applicate al reattore sperimentale internazionale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che sarà il primo esperimento in cui si testerà anche la produzione di energia, e sarà molto probabilmente il primo Sole Artificiale. Anche se ricordiamolo: questa descrizione è molto più poetica che reale. Alla sua progettazione e realizzazione collaborano svariate nazioni del mondo, tra cui l’Italia (insieme al resto dell’EU), la Cina, la Russia, gli USA, ecc. Comprendere questo aiuta a comprendere meglio il contesto in cui questi esperimenti sono collocati. Certamente le conoscenze sviluppate in questi test saranno utili anche in possibili spin-off derivanti da queste ricerche indipendenti dal consorzio ITER.
Approfondimenti:
Vi invito a leggere questi precedenti articoli che abbiamo scritto in passato.
Fusione Nucleare: Istruzioni per l’Uso (consigliato soprattutto per chi parte da zero, vuole comprendere le differenze con la fissione, la possibile pericolosità, lo stato delle ricerche ecc).
Wendelstein 7-X: Uno Stellarator da Record (parlando di questo stellarator si spiegano le differenze fra Tokamak e Stellarator e come questa configurazione aiuterebbe nel risolvere le instabilità del plasma).
KSTAR Tokamak: Un Nuovo Record (Approfondimento sui vantaggi di usare magneti superconduttori e sulle tecnologie che riscaldano il plasma).
Frascati ospiterà il Divertor Tokamak Test facility (articolo sul futuro tokamak che testerà nuove tecnologie di divertori, lavorando in parallelo con ITER. Approfondimento sui divertori).
ITER: Il primo magnete superconduttore completato e “made in Italy” (articolo su parte del contributo dell’Italia ad ITER).
Esperimento Proto Sphera (un esperimento che riconcepisce totalmente i tokamak e dalle grandi potenzialità)
Fonti
oltre quelle citate direttamente
Hefei Institute of Physical Science
In Copertina: Foto dell’interno della camera a vuoto di EAST. Fonte: IPP