Il “sole artificiale” della Cina segna un nuovo traguardo

Il Cina il reattore sperimentale di fusione nucleare, chiamato anche “il sole artificiale” ha infranto un limite a lungo considerato critico: è riuscito a mantenere un plasma stabile a oltre 100 milioni di gradi Celsius per 1.066 secondi (circa 18 minuti) in condizioni di confinamento “H-mode” molto efficiente, cioè con turbolenze ridotte e migliore contenimento di energia nel plasma.

Il risultato ottenuto è più del doppio del record precedente (403 secondi) e dimostra progressi significativi nel controllo e nella stabilità del plasma, rafforzando la possibilità di una fonte energetica reale e praticamente inesauribile.

Più plasma, più stabilità

Negli esperimenti più recenti, il team cinese, guidato da ricercatori della Chinese Academy of Sciences, è riuscito a superare il cosiddetto muro della densità del plasma. In termini semplici, è stato possibile “stipare” più particelle di plasma mantenendo la stabilità magnetica, un fattore essenziale per produrre energia in modo continuo.

I tokamak, reattori sperimentali a forma di ciambella, confinano gas ionizzato (chiamato plasma) grazie a campi magnetici intensi con l’obiettivo di riprodurre sulla Terra ciò che avviene nel cuore del Sole: la fusione degli atomi di idrogeno in elio, un processo che libera enormi quantità di energia. In natura, densità e pressione elevatissime permettono a queste reazioni di avvenire in modo continuo.

Nei reattori terrestri, invece, la pressione è molto più bassa rispetto a quella presente nel Sole e per compensare questa differenza è necessario raggiungere temperature decine di volte superiori. Uno dei principali limiti operativi dei tokamak è da tempo il cosiddetto "limite di Greenwald", ovvero la densità massima di plasma che si può mantenere in modo stabile dentro un tokamak. A densità elevate, le interazioni tra plasma e pareti del reattore innescano turbolenze che finora hanno impedito di andare oltre certi valori senza disgregazione.

Il team di ricerca del reattore EAST ha dimostrato che è possibile aggirare questo ostacolo. Modificando con grande precisione i parametri iniziali dell’esperimento,  — come la pressione del gas di combustibile e utilizzando tecniche avanzate di riscaldamento mediante "risonanza ciclotronica elettronica",  — gli scienziati hanno ottimizzato le interazioni tra plasma e pareti metalliche fin dalla fase di avvio.

La risonanza ciclotronica elettronica è una tecnica che permette di riscaldare e controllare il plasma, agendo in particolare gli elettroni: gli elettroni, infatti, nel campo magnetico del tokamak girano in cerchio a una frequenza ben precisa (frequenza ciclotronica). Se vengono colpiti con onde elettromagnetiche (microonde) a quella stessa frequenza, assorbono energia in modo molto efficiente. Questa metodologia ha permesso al plasma di entrare in quello che viene chiamato "regime di assenza di densità", dove la densità può aumentare dal 30% fino al 65% oltre il limite di Greenwald senza interrompersi.

Per superare il limite di Greenwald, quindi, gli scienziati dell’EAST hanno gestito con attenzione l’interazione del plasma con le pareti del reattore controllando due parametri chiave all’avvio del reattore: la pressione iniziale del gas di combustibile e il riscaldamento a risonanza ciclotronica degli elettroni, ovvero la frequenza alla quale gli elettroni del plasma assorbono le microonde. In questo modo il plasma è rimasto stabile a densità estreme pari a 1,3–1,65 volte oltre il limite di Greenwald, valori molto superiori all’intervallo operativo abituale del tokamak, che secondo lo studio è compreso tra 0,8 e 1.

L’auto-organizzazione del plasma: una scoperta chiave

Il risultato di questo traguardo, riportato anche sulla rivista Science Advances, si può considerare la prima prova sperimentale della teoria del Plasma-Wall Self-Organization (PWSO): un fenomeno osservato nei dispositivi per la fusione in cui il plasma e la parete circostante interagiscono ed evolvono fino a formare una configurazione stabile e favorevole. Questa interazione può portare a un miglior confinamento del plasma e a una riduzione della contaminazione da impurità. La comprensione della PWSO si è evoluta nel tempo grazie a osservazioni sperimentali e alla modellizzazione teorica delle interazioni plasma-parete nei dispositivi di fusione. Si tratta di un fenomeno complesso, influenzato da vari fattori, tra cui i parametri del plasma, i materiali della parete e la configurazione del campo magnetico.

«I risultati suggeriscono un percorso pratico e scalabile per estendere i limiti di densità nei tokamak e nei dispositivi di fusione a plasma ardente di nuova generazione», ha dichiarato il co-autore dello studio Ping Zhu, professore presso la Scuola di Ingegneria Elettrica ed Elettronica dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina.

Un passo verso l’energia del futuro

La capacità di mantenere un plasma che si “autoalimenta” (grazie all’energia prodotta dalla fusione stessa) è una tappa verso la realizzazione di reattori stabili e sostenibili. La fusione nucleare è vista come una potenziale fonte di energia pulita, sicura e quasi inesauribile, ma non è ancora una fonte energetica commerciale. Tutti i principali programmi di ricerca (EAST in Cina, ITER in Francia con partecipazione globale, progetti privati altrove) puntano a ottenere un reattore in cui si produca più energia di quanta se ne consumi: raggiungere questo “guadagno netto” è un passo fondamentale verso impianti che producano elettricità su scala industriale.

«Un dispositivo di fusione deve raggiungere un funzionamento stabile ad alta efficienza per migliaia di secondi, al fine di consentire la circolazione autosufficiente del plasma, che è fondamentale per la generazione continua di energia delle future centrali a fusione», ha dichiarato Song Yuntao, direttore dell’Istituto di Fisica del Plasma responsabile del progetto di fusione presso l’Accademia Cinese delle Scienze, ai media statali cinesi.

I dati raccolti dall’EAST sosterranno lo sviluppo di altri reattori, sia in Cina sia a livello internazionale. La Cina fa parte del programma del Reattore Termonucleare Sperimentale Internazionale (ITER), che coinvolge decine di Paesi, tra cui Stati Uniti, Regno Unito, Giappone, Corea del Sud e Russia. Il reattore ITER, attualmente in costruzione nel sud della Francia, ospita il magnete più potente al mondo e dovrebbe entrare in funzione non prima del 2039. ITER sarà uno strumento sperimentale progettato per creare una fusione sostenuta a fini di ricerca, ma potrebbe aprire la strada alla realizzazione di centrali elettriche a fusione.