Il reattore a fusione cinese sfonda il soffitto di vetro e avvicina l’energia delle stelle

Un risultato che riscrive le regole della fisica dei plasmi

I fisici del tokamak EAST in Cina sono riusciti a comprimere il plasma ben oltre i limiti di stabilità finora ritenuti invalicabili. Si tratta di una svolta che mette in discussione una delle barriere considerate intoccabili nell’ambito dell’energia termonucleare.

Il reattore a fusione nucleare cinese ha battuto un record che fino a poco tempo fa sembrava fisicamente irraggiungibile. Gli scienziati del tokamak EAST hanno dimostrato che la densità del plasma non rappresenta un confine così rigido come intere generazioni di fisici avevano studiato e creduto.

I risultati provenienti dalla Cina non sono soltanto un dato impressionante da annotare nelle tabelle. Potrebbero cambiare radicalmente il modo in cui vengono progettate le future centrali a fusione. Se riesci ad aumentare la densità del plasma senza perdere la stabilità, non hai più bisogno di costruire impianti così colossali e costosi.

Gli scienziati hanno raggiunto una densità del plasma superiore del 30-65% rispetto al limite pratico teorizzato, senza che si verificassero le tipiche instabilità distruttive. Il plasma è rimasto sotto controllo e il reattore ha operato in un regime che i teorici avevano previsto, ma che mancava ancora di conferma sperimentale.

Perché la densità del plasma frena la fusione nucleare

In un tokamak tutto si svolge all’interno del plasma, ovvero un gas ionizzato a temperature di decine o centinaia di milioni di gradi Celsius. In questo ambiente estremo, i nuclei atomici — solitamente isotopi dell’idrogeno — si scontrano e si fondono, liberando quantità enormi di energia.

Maggiore è la densità del plasma, più frequenti sono le collisioni tra nuclei e più elevata può essere la potenza generata dal reattore. Sembra semplice: basta alzare la densità e il gioco è fatto. Il problema è che per decenni i fisici si sono imbattuti in una barriera molto concreta.

Oltre una certa soglia, il plasma all’interno del tokamak iniziava a comportarsi come una caldaia impazzita. Crescevano le oscillazioni, comparivano perdite di energia e talvolta si arrivava persino al collasso totale della scarica. In pratica, anziché puntare su plasmi più densi, era necessario costruire macchine sempre più grandi per compensare la densità inferiore con volume e tempo di confinamento.

Questo è uno dei motivi per cui ITER, in Europa, ha dimensioni così gigantesche. Quando non era possibile aumentare continuamente la densità, l’unica strada era prolungare il tempo di confinamento del plasma e amplificarne il volume, in modo che la somma delle reazioni di fusione producesse energia reale.

EAST — il reattore che ha aperto un nuovo regime operativo

I risultati rivoluzionari sono stati ottenuti nel tokamak EAST, situato a Hefei. Si tratta di uno degli impianti di questo tipo più avanzati al mondo, utilizzato come banco di prova sperimentale per la futura energia da fusione.

Il team di ricercatori ha raggiunto una densità del plasma nettamente superiore alla soglia considerata limite pratico in condizioni analoghe. La cosa fondamentale è che questo non ha innescato le tipiche instabilità distruttive. Il plasma è rimasto stabile per tutta la durata dell’esperimento.

Per la comunità scientifica è un segnale chiaro: il quadro attuale non è completo. Ciò che veniva descritto come densità limite universale si è rivelato essere in gran parte una conseguenza del metodo specifico di avviamento e conduzione della scarica, non una legge di natura assoluta.

• Magneti toroidali superconduttori che garantiscono una modellazione precisa del campo magnetico
• Bobine poloidali per un controllo fine della configurazione del plasma
• Riscaldamento a risonanza ciclotronico degli elettroni per un riscaldamento efficiente del plasma
• Controllo preciso della pressione del gas nella camera durante l’avvio della scarica
• Minimizzazione delle interazioni tra plasma e pareti del reattore fin dall’inizio
• Ottimizzazione dell’intera sequenza di avvio del plasma, passo dopo passo
• Adozione di soluzioni mutuate dagli stellarator per ridurre il contatto con le pareti

La teoria che aspettava il suo momento

Gli ultimi risultati da EAST non sono emersi dal nulla. Alcuni anni fa, una parte dei teorici aveva ipotizzato che nei tokamak potessero esistere due regimi distinti di funzionamento del plasma.

Il primo regime presenta un limite di densità ben definito: il plasma cresce fino a un certo livello, dopodiché compaiono forti instabilità. Il secondo, alternativo, è un regime in cui questo limite scompare praticamente del tutto, a patto di soddisfare determinate condizioni sin dall’inizio della formazione del plasma.

L’elemento chiave di questa teoria riguarda le interazioni tra il plasma e le pareti del reattore. Quando il plasma surriscaldato colpisce con troppa forza i materiali strutturali, ne strappa atomi e introduce nella camera vari tipi di impurità. Queste sostanze raffreddano e destabilizzano il plasma, così ogni ulteriore aumento di densità si traduce in un brusco peggioramento dei parametri.

I teorici sostenevano che, limitando fin dall’inizio questi urti contro le pareti, il plasma si sarebbe auto-organizzato in uno stato differente, molto meno sensibile a ulteriori compressioni. Mancava però una conferma sperimentale solida. EAST ha fornito esattamente questo argomento.

Come gli scienziati hanno domato il plasma nel reattore EAST

Il team di ricerca ha puntato su una modalità diversa di avviamento del reattore e su un controllo più sofisticato delle condizioni iniziali. Il tokamak EAST dispone di un sistema avanzato di magneti superconduttori toroidali e poloidali, la cui configurazione permette una modellazione del campo magnetico di eccezionale precisione.

Gli scienziati hanno adottato un approccio ispirato ai dispositivi di tipo stellarator, in cui il plasma viene guidato attraverso un campo magnetico complesso e attorcigliato, riducendo così il contatto con le pareti. EAST rimane un tokamak classico, ma integra alcune soluzioni tipiche di questa famiglia alternativa di reattori.

Concretamente, hanno controllato con grande precisione la pressione del gas introdotto nella camera all’avvio della scarica. Hanno impiegato un riscaldamento mirato tramite risonanza ciclotronico degli elettroni, che ha consentito di formare il plasma ancor prima che iniziasse a interagire aggressivamente con le pareti. Si sono concentrati sull’ottimizzazione dell’intera sequenza di avvio, invece di focalizzarsi soltanto sullo stato stazionario al centro dell’impulso.

Il risultato è stato meno contaminazione proveniente dalle pareti, minori perdite di energia e uno stato in cui il plasma è stato compresso a densità molto più elevate senza un deterioramento drammatico della stabilità. Tutto indica che si è effettivamente entrati nel regime teorizzato, privo di limitazioni di densità.

Conseguenze per l’industria energetica e i reattori del futuro

Per ora abbiamo a che fare con un risultato sperimentale, non con una centrale elettrica funzionante. Tuttavia, le implicazioni per la progettazione dei futuri reattori energetici potrebbero essere molto concrete.

I grandi tokamak odierni nascono principalmente per aggirare i limiti fisici. Quando la densità non può essere aumentata praticamente, serve un volume di plasma maggiore e un tempo di scarica più lungo. Questo costa miliardi, richiede anni di costruzione e una logistica complicata.

Se dovesse emergere che nei reattori del futuro è possibile operare in un regime privo di un limite di densità significativo, parte di questi vincoli potrebbe svanire. Si apre la possibilità di reattori più compatti, integrabili più facilmente nell’infrastruttura energetica esistente. Costi di investimento inferiori, perché le costruzioni non devono crescere su scala gigantesca. Maggiore durata dei componenti interni grazie alla riduzione del bombardamento delle pareti da parte del plasma caldo.

Si prospetta uno scenario interessante per i paesi privi del budget necessario per strutture della classe di ITER, ma che vogliono sviluppare propri progetti di fusione, anche in collaborazione con il settore privato. Negli ultimi tempi sono comparsi sempre più startup focalizzati sull’energia da fusione, che lavorano su concept innovativi di reattori di piccole dimensioni.

Cosa significa tutto questo per i consumatori comuni di energia

Per la maggior parte delle persone, la fusione nucleare evoca l’idea di energia pulita proveniente dalle stelle. In pratica, si tratta della visione di una fonte di elettricità che non emette anidride carbonica, produce quantità trascurabili di scorie a lungo termine e può funzionare indipendentemente dal vento o dal sole.

Superare barriere come il limite di densità del plasma avvicina il giorno in cui questa visione scenderà dai piani delle conferenze ai progetti energetici reali. Reattori più piccoli e più semplici da costruire saranno più facili da integrare nel mix energetico accanto alle fonti rinnovabili, alle centrali nucleari convenzionali e agli impianti di accumulo.

Vale però la pena mantenere aspettative ragionevoli. Dalla ricerca di laboratorio a una centrale commerciale, il percorso è solitamente lungo. Non basta solo replicare i risultati in modo affidabile: occorre anche progettare l’intero involucro tecnico, dai sistemi di raffreddamento agli scambiatori di calore, dalla gestione del combustibile alla manutenzione dei componenti esposti a intensi flussi di neutroni.

Tuttavia, si percepisce un cambiamento netto di approccio nel settore. Si parla sempre meno di singoli lampi di progresso e sempre di più di come collegare i vari avanzamenti in un unico progetto energetico coerente. Il record di EAST si inserisce perfettamente in questa tendenza, perché tocca un limite molto concreto e da lungo tempo doloroso. Potremmo assistere all’arrivo dell’energia da fusione prima di quanto la maggior parte di noi riesca oggi a immaginare.