JET: Un vero Sole Artificiale!
Il Joint European Torus [JET] è Il tokamak per antonomasia. L’icona della ricerca sulla fusione nucleare a confinamento magnetico. Nell’ultimo esperimento ha prodotto più energia di sempre. Vediamo come si colloca questo traguardo nella corsa verso la possibilità di usare energia nucleare da fusione.
1 Breve panoramica storica sul JET
1.1 – Perché realizzarlo?
Il JET è attualmente il tokamak sperimentale più grande al mondo. E’ stato voluto nel 1975 per unire gli sforzi che i paesi dell’Euroatom (European Atomic Energy) iniziarono indipendentemente per lo sviluppo di un intenso programma di ricerca sulla fusione nucleare. Situato vicino al centro per l’energia da fusione a Culham, nella contea dello Oxfordshire, ci vollero meno di 10 anni per realizzarlo ed accenderlo, dando la luce al primo plasma il 25 Giugno del 1983. Il reattore sperimentale è stato realizzato con la speranza di riuscire ad ottenere un fattore di guadagno energetico da fusione [Q] pari ad 1. Cioè giungere ad un pareggio fra l’energia prodotta dalla fusione e l’energia spesa per riscaldare e confinare il plasma.
1.2 – Un tokamak per il Trizio
JET è stato anche il primo Tokamak ad essere progettato per essere alimentato con una miscela di deuterio e trizio. Quindi con entrambi i reagenti necessari per far avvenire la reazione di fusione desiderata. Infatti generalmente le varie macchine sperimentali (tokamak, stellarator) costruite nel corso dei decenni si sono focalizzate sul riuscire a confinare un plasma sempre più caldo per tempi sempre più lunghi, combattendo le instabilità che si formano naturalmente in questa miscela di ioni ed elettroni. Per far ciò, non serve usare anche il trizio ma solo l’idrogeno (il classico prozio), o tutt’al più il deuterio.
Inoltre bisogna sottolineare che in genere sono prima testati con dei gas chimicamente neutri (come l’elio, l’argon), prima di arrivare ad usare l’idrogeno, molto più reattivo.
E’ stato aggiornato agli inizi degli anni 90′ per includere all’interno della camera un divertore e lavorare in H-Mode (High Confinement Mode). Ciò gli ha permesso nel 1997 di raggiungere un Q = 0,67. Significa che a valle di un riscaldamento di 24 MW, la miscela di deuterio e trizio ha prodotto 16 MW dalla fusione. Per un totale di 21,7 MJ di energia raccolta. Un record rimasto imbattuto fino allo scorso Dicembre!
L’altro tokamak attualmente esistente in grado di lavorare con il trizio, è il TFTR nei laboratori di fisica del plasma a Princeton.
1.3 – da JET ad ITER
Dopo questo traguardo il tokamak è stato quasi completamente smontato nei suoi componenti principali ed aggiornato con le tecnologie sviluppate nel corso degli ultimi decenni. Anche grazie allo studio sui dati raccolti dagli esperimenti di JET sono nati i progetti IGNITOR ed ITER. Il primo, un progetto dell’ENEA che mirava alla realizzazione di un piccolo tokamak idealmente capace di produrre 100 MW di potenza da fusione. Il secondo è l’International Thermonuclear Experimental Reactor, progetto internazionale a cui partecipa anche l’Italia ed attualmente in costruzione a Cadarache, in Francia, idealmente capace di produrre dai 500 ai 700 MW.
1.3.1 una breve parentesi su IGNITOR
IGNITOR sarebbe stato un piccolo tokamak di 500 tonnellate in grado di raggiungere una corrente toroidale di 11 MA in un toro di raggio massimo 1,37 metri ed una sezione del toro a D alta 0,86 metri e larga 0,47 metri. Avrebbe usato sia magneti superconduttori che elettromagneti in rame raffreddati criogenicamente, rispettivamente per la componente poloidale e per quella toroidale del plasma, raggiungendo un campo magnetico di 13 Tesla di intensità nelle bobine poloidali (verticali), più del doppio del rispettivo di ITER (6 Tesla). Su carta avrebbe potuto raggiungere praticamente performance molto vicine ad ITER (11 MA vs 15 MA di ITER). Lo scopo di IGNITOR sarebbe stato testare il confinamento magnetico di un plasma riscaldato dall’interno grazie alle reazioni di fusione, quindi raggiungendo lo stato di Ignizione del plasma (da cui il nome). Stato in cui la reazione nucleare da endotermica diventa esotermica, erogando energia. Riguardo l’ignizione ve ne avevamo parlato qui: Un Sole Artificiale si è acceso ad EAST?
Al contrario del mastodontico ITER (23 000 tonnellate), il piccolo IGNITOR è rimasto su carta, sebbene negli scorsi anni a seguito di alcune riunioni fra ricercatori italiani e russi il tokamak sperimentale avrebbe dovuto prendere costruzione nell’Istituto per l’Innovazione e la Ricerca di Fusione a Troik (TRINITI), nell’oblast di Mosca. I lavori non sono ancora cominciati ed il sito dell’ENEA di Frascati che ne avrebbe dovuto ospitare la costruzione è stato dedicato alla realizzazione del tokamak di supporto ad ITER: DTT. Di lui vi avevamo parlato in un vecchio articolo qualche anno fa. Frascati Ospiterà il Divertor Tokamak Test Facility
1.4 – L’eredità di JET
Dunque ITER raccogliere l’eredità di JET, ma non ha ancora passato il testimone. Ha ancora una parte da recitare […] prima che la storia finisca (parafrasando un certo stregone grigio). Infatti è diventato di supporto ad ITER, insieme alla stragrande maggioranza dei Tokamak attualmente in circolazione e di cui abbiamo sentito numerosi record infranti negli scorsi mesi ed anni. Come l’EAST cinese ed il KSTAR coreano di cui vi avevamo parlato in due articoli dedicati:
Un Sole Artificiale si è acceso ad EAST?
KSTAR Tokamak
Al contrario di questi, il cui scopo è testare le tecnologie per il confinamento magnetico del plasma come l’uso dei magneti superconduttori, JET ha attualmente lo scopo di testare le tecnologie inerenti alla raccolta dell’energia prodotta, come il divertore in Berillio e Tungsteno che verrà usato nel suo successore. Non essendo dotato di magneti superconduttori, non è capace di sostenere il plasma per un periodo di tempo prolungato.
2 – Il nuovo record del 21 Dicembre 2021
Il 21 Dicembre 2021 JET è stato sottoposto nuovamente ad esperimenti di confinamento di un plasma in fusione, quindi con Deuterio e Trizio. Nel plasma sono avvenute reazioni di fusione, trasformando per circa 5 secondi JET in un piccolo Sole Artificiale (ricordiamo: descrizione più poetica che reale).
Ha prodotto un totale di 59 MJ di energia in un’impulso durato ben 5 secondi! Con un fattore di guadagno energetico Q = 0,33. Un Q più piccolo rispetto a quello del test di 23 anni fa perché le energie di picco raggiunte sono state inferiori ma ha raddoppiato l’energia prodotta e più che raddoppiando la durata della scarica.
Di seguito potete ammirare l’impulso!
Come potete notare la frequenza con cui si usa il trizio in questi esperimenti è molto bassa. Infatti da una parte, per testare il confinamento magnetico non serve che nel plasma avvenga la fusione. Dall’altra il trizio è costosissimo! Nel 2000 il suo costo era stimato a 30.000 dollari US al grammo!
2.1 Interpretare il risultato nel contesto della ricerca sulla Fusione Nucleare
Questo risultato sicuramente conferma la validità delle scelte intraprese per ITER, e conferma che la fusione può essere una valida fonte di energia. Ciò non significa che la fusione sia materialmente più vicina rispetto a prima. Infatti anche se ITER riuscirà nel suo intento di eguagliare e superare un Q = 1 (auspicando un Q = 10), serve sviluppare ulteriori tecnologie che permettano ad un reattore di operare sul lungo periodo a causa degli ingenti carichi termici ed ottimizzare tali tecnologie per una produzione di massa. Anche per questo motivo il DTT avrà un ruolo cruciale nella ricerca sui futuri reattori in grado di produrre energia.
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).
Un Sole Artificiale si è acceso ad EAST? (approfondimento sul celebre risultato dello scorso dicembre del tokamak cinese EAST)
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
In copertina: Fotomontaggio di due foto dell’interno della camera a vuoto di JET, con e senza plasma. Fonte: EUROFusion