Cos’è il Tokamak, la macchina per la fusione nucleare

Un tokamak è un dispositivo che serve a produrre e confinare un plasma ad altissima temperatura, allo scopo di sfruttare l’energia derivante dalla fusione nucleare controllata. Il nome tokamak deriva dall’acronimo russo per “camera toroidale con spire magnetiche” . Un acronimo che descrive bene la struttura in questione.

Il plasma è il quarto stato della materia, in cui gli atomi sono completamente ionizzati, cioè privi degli elettroni che normalmente li circondano. Il plasma è formato da un gas, solitamente di idrogeno o dei suoi isotopi (deuterio e trizio), portato a temperature di milioni di gradi, simili a quelle che si trovano al centro delle stelle.

In queste condizioni, i nuclei degli atomi possono superare la repulsione elettrostatica e fondersi tra loro, liberando una grande quantità di energia. Per ottenere la fusione nucleare controllata, è necessario mantenere il plasma stabile e lontano dalle pareti del dispositivo, altrimenti si raffredderebbe e si spegnerebbe la reazione.

Tokamak in costruzione in Thailandia

Il tokamak usa un campo magnetico generato da potenti elettromagneti per confinare il plasma in una forma toroidale (a ciambella). Il campo magnetico ha due componenti: una toroidale, parallela alla direzione della ciambella, e una poloidale, perpendicolare alla direzione della ciambella. La componente toroidale serve a impedire al plasma di espandersi radialmente verso le pareti, mentre la componente poloidale serve a impedire al plasma di uscire dalle estremità della ciambella. La componente poloidale è ottenuta inducendo una corrente elettrica nel plasma stesso, che funge da spira secondaria di un trasformatore. I

l tokamak ha quindi una struttura complessa, formata da una camera di vuoto in cui è contenuto il plasma, circondata da bobine di rame o superconduttrici che generano il campo magnetico, e da vari sistemi ausiliari per il riscaldamento del plasma, il controllo della purezza e della densità del gas, la misurazione delle proprietà del plasma e la raccolta dell’energia prodotta dalla fusione. Il tokamak è una delle configurazioni più studiate per la realizzazione di un reattore a fusione nucleare controllata, in quanto ha dimostrato di raggiungere elevate prestazioni in termini di temperatura, densità e tempo di confinamento del plasma.

Tuttavia, presenta anche delle sfide tecniche e scientifiche, come la necessità di alimentare la corrente nel plasma in modo continuo o quasi-continuo, la gestione delle instabilità che possono compromettere il confinamento del plasma, la resistenza delle pareti alle elevate temperature e alle radiazioni generate dal plasma, e l’efficienza nella conversione dell’energia termica in energia elettrica. Attualmente sono in funzione o in costruzione diversi tokamak in vari paesi del mondo, tra cui il più grande è l’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), situato nel sud della Francia.

ITER tokamak

L’ITER ha lo scopo di dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione nucleare controllata su scala industriale, producendo più energia di quanta ne consuma per il funzionamento. L’Italia partecipa al progetto ITER sia come membro dell’Unione Europea sia con contributi specifici, come la fornitura dei supercavi per gli elettromagneti. ITER è stato criticato come progetto per il costo esorbitante e le tempistiche eccessivamente lunghe.

Inoltre, l’Italia ospita uno dei più avanzati tokamak al mondo, il FTU (Frascati Tokamak Upgrade), presso l’ENEA di Frascati . Il tokamak italiano ha lo scopo di testare diverse configurazioni di forme e materiali, al fine di elaborare soluzioni tecnologiche applicabili in altri impianti.