Fusione nucleare: il mini tokamak di un metro di diametro raggiunge i 100 milioni di gradi. Il futuro è modulare?

Gli ioni all’interno di un reattore a fusione compatto di appena un metro di diametro sono stati riscaldati per la prima volta alla magica cifra di 100 milioni di gradi Celsius, in un passo monumentale verso la realizzazione pratica dell’energia da fusione nucleare.

I ricercatori della Tokamak Energy Ltd nel Regno Unito, del Princeton e dell’Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti, e dell’Istituto per la ricerca sull’energia e il clima in Germania, hanno raggiunto il record su un dispositivo di un tokamak sferico (ST), che, a differenza dei percorsi circolari a forma di “ciambella” del combustibile riscaldato nei reattori più grandi, confina il plasma in un vortice “a forma di mela” destinato a migliorare la stabilità e la praticità della generazione di energia.

La fusione nucleare riproduce i processi fondamentali nel nucleo del nostro Sole e di stelle simili, spremendo energia dalla fusione di elementi più piccoli in elementi più grandi. Se riusciamo a farlo bene – e si tratta di un “se” piuttosto grande – significa una fonte virtualmente inesauribile di energia pulita, senza emissioni nocive.

Mentre le stelle hanno a disposizione enormi quantità di gravità per fondere gli elementi e rilasciare energia, noi siamo costretti a fare affidamento sul calore. Molto calore, infatti, equivalente a diverse volte più caldo del nucleo del Sole.

Cuocere gli ingredienti atomici, o ioni, ad almeno 100 milioni di gradi Celsius (essenzialmente qualsiasi cosa che superi i 100 milioni di gradi Kelvin, o 8,6 kiloelettronvolt in termini energetici) è fondamentale per ottenere le giuste pressioni.

“Temperature degli ioni superiori a 5 keV [kiloelettronvolt] non sono state raggiunte in precedenza in nessun ST e sono state ottenute solo in dispositivi molto più grandi con una potenza di riscaldamento del plasma sostanzialmente maggiore”, scrivono i ricercatori nel documento pubblicato.

In questo caso è stato utilizzato un tokamak sferico chiamato ST40. A parte i macchinari necessari per il suo funzionamento in sicurezza, il reattore stesso ha una dimensione di soli 0,8 metri, una frazione dei tokamak più grandi che possono raggiungere diversi metri di diametro.

Rispetto ai reattori a fusione più grandi, questi dispositivi più piccoli sono più economici da costruire e potenzialmente più efficienti e stabili: tutti vantaggi se si vuole rendere una tecnologia commercialmente valida.

Per raggiungere il nuovo record di temperatura, i ricercatori hanno impiegato una serie di ottimizzazioni, tra cui l’uso della ST stessa e il modo in cui il plasma è stato preparato in termini di riscaldamento e densità di elettroni.

Alcune tecniche sono state prese in prestito dagli esperimenti “supershot” condotti negli anni ’90 nel reattore di prova a fusione Tokamak, molto più grande dell’ST40. In sostanza, l’approccio prevedeva l’applicazione di molto calore in un lasso di tempo molto breve.

Un altro trucco di ottimizzazione applicato dagli scienziati è stato quello di riscaldare gli ioni con carica positiva più degli elettroni con carica negativa all’interno del plasma. Questa modalità, nota come modalità a ioni caldi, contribuisce ad aumentare il numero di reazioni e le prestazioni del tokamak.

“Queste temperature sono state raggiunte in scenari di modalità a ioni caldi, in cui la temperatura degli ioni supera quella degli elettroni, in genere di un fattore pari o superiore a due”, scrivono i ricercatori.

Sebbene questa scoperta e altre simili siano certamente entusiasmanti, la fusione nucleare è ancora in fase di sperimentazione, con diversi ostacoli da superare prima di poter essere considerata una fonte di energia pratica. Non tutti credono che la produzione di energia da fusione nucleare sarà possibile, viste le sfide tecniche da affrontare.

Queste sfide sono evidenziate anche in questo caso: la temperatura massima è stata raggiunta per soli 150 millisecondi. Un ottimo risultato in laboratorio, ma non molto tempo per contribuire concretamente alla rete energetica.

Tuttavia, ogni scoperta ci avvicina all’obiettivo finale – e questa è particolarmente degna di nota, considerando che i tokamak sferici sono una delle opzioni più promettenti per creare reazioni di fusione nucleare in modo che le necessarie equazioni energetiche ed economiche finiscano per avere senso.

“Questi risultati dimostrano per la prima volta che le temperature degli ioni rilevanti per la fusione commerciale a confinamento magnetico possono essere ottenute in un ST compatto ad alto campo e fanno ben sperare per le centrali a fusione basate su questo tipo di ST”, scrivono i ricercatori.