Fusione nucleare: risolto il mistero del “tubo di scappamento” nei reattori Tokamak

Mentre il mondo sogna l’energia infinita e pulita della fusione nucleare, gli ingegneri si scontrano quotidianamente con problemi molto più terreni. Uno di questi è l’equivalente termonucleare del tubo di scappamento: il divertore. Per anni, i fisici non sono riusciti a spiegare perché le particelle di plasma all’interno dei reattori Tokamak si accanissero sistematicamente sulla parte interna di questo componente, usurando i materiali in modo asimmetrico. Oggi, nuove simulazioni rivelano che la risposta non risiede solo nelle derive laterali del plasma, ma nella potente rotazione del nucleo stesso.

I Tokamak sono, in estrema sintesi, delle gigantesche “ciambelle” magnetiche. Il loro scopo è confinare una zuppa caldissima di particelle cariche per un tempo sufficiente a far fondere i nuclei atomici. Tuttavia, anche la migliore delle gabbie magnetiche ha delle perdite. Quando il plasma sfugge, le particelle viaggiano lungo le linee del campo magnetico fino al divertore, un’area di scarico progettata per assorbire calore e particelle “Impure” cioè che non sono idrogeno, come l’elio frutto della fusione.

Divertore in un tokamak

In linea di principio, questo flusso di scarico dovrebbe essere prevedibile e ben distribuito. Nella realtà sperimentale, si è sempre verificata un’anomalia fastidiosa: le particelle colpiscono il bersaglio interno del divertore con una frequenza nettamente superiore rispetto a quello esterno. Fino a ieri, la spiegazione più gettonata puntava il dito contro le derive incrociate (cross-field drifts), ovvero il movimento laterale delle particelle rispetto alle linee del campo magnetico. L’idea aveva una sua logica, ma i modelli informatici basati solo su questo parametro non riuscivano a replicare i dati reali registrati dalle macchine.

L’ingrediente mancante: la rotazione del plasma

Un nuovo studio, condotto dal Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e pubblicato su Physical Review Letters, ha finalmente inserito il tassello mancante. Utilizzando il codice di modellazione SOLPS-ITER sul reattore californiano DIII-D, i ricercatori hanno scoperto che i conti tornano solo quando si aggiunge all’equazione la rotazione del nucleo del plasma.

Il flusso all’interno del reattore si divide in due componenti:

• Flusso incrociato (Cross-field flow): Le particelle si spostano lateralmente attraverso le linee del campo magnetico.
• Flusso parallelo (Parallel flow): Le particelle viaggiano lungo le linee del campo, guidate dal movimento rotatorio del nucleo centrale del tokamak.

Quindi ci sono due correnti che si combinano e guidano i flussi di plasma.  Solo combinando il moto rotatorio con le derive incociate, cioè con la spinta perpendicolare alla rotazione si può comprendere la meccanica del plasma.

I ricercatori hanno testato quattro diversi scenari, attivando e disattivando le variabili nel simulatore.

I dati non si avvicinavano alla realtà sperimentale finché non è stata inserita una velocità di rotazione del nucleo pari a 88,4 chilometri al secondo. L’effetto combinato di derive e rotazione determina in modo decisivo la traiettoria dello scarto di fusione.

Perché questa scoperta è fondamentale per il nostro futuro energetico

Capire dove va a finire lo scarico significa capire dove si concentra il calore. Se i modelli matematici non riescono a prevedere il comportamento basilare di un reattore sperimentale, diventa impossibile fidarsi delle proiezioni per i futuri reattori commerciali. Si rischia o di costruire una macchina inutilmente costosa, o una che si rompe con una frequenza eccessiva.

Questa scoperta offre un vantaggio ingegneristico cruciale: permette di progettare divertori capaci di resistere a condizioni termiche estreme senza usurarsi prematuramente. Per fare un parallelo, ora sappiamo costruire una marmitta e per un reattore a fusione.   Gestire l’asimmetria significa poter raffreddare i componenti in modo mirato, allungando la vita utile della centrale e riducendo i costi di manutenzione. In un’ottica di investimenti infrastrutturali, un reattore che non fonde i propri componenti di scarico è il primo vero passo per trasformare la fusione nucleare da un affascinante esperimento di fisica a un’industria energetica reale, solida e scalabile.

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