47 fisici convalidano nuovo esperimento per la costruzione di un reattore a fusione

SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a ottenere un 'plasma che brucia', ovvero una reazione di fusione autosufficiente, in cui diversi isotopi dell'elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza la necessità di ulteriori immissioni di energia

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Due anni e mezzo fa, il MIT ha stipulato un accordo di ricerca con la società startup Commonwealth Fusion Systems per sviluppare un esperimento di ricerca sulla fusione di prossima generazione, chiamato SPARC, come precursore di una centrale elettrica pratica, priva emissioni.
Ora, dopo molti mesi di intenso lavoro di ricerca e di ingegneria, i ricercatori incaricati di definire e perfezionare la fisica che sta dietro all’ambizioso progetto del reattore hanno pubblicato una serie di articoli che riassumono i progressi compiuti e delineano le questioni chiave della ricerca che SPARC permetterà di realizzare.
Nel complesso”, dice Martin Greenwald, vice direttore del MIT e uno dei principali scienziati del progetto “il lavoro sta procedendo senza intoppi e sulla buona strada. Questa serie di documenti fornisce un alto livello di fiducia nella fisica del plasma e nelle previsioni delle prestazioni della SPARC”, afferma. “Non sono emersi impedimenti o sorprese inattese e le sfide rimanenti sembrano essere gestibili. Questo pone una solida base per il funzionamento del dispositivo una volta costruito.
Greenwald ha scritto l’introduzione di una serie di sette lavori di ricerca scritti da 47 ricercatori di 12 istituzioni e pubblicati in un numero speciale del Journal of Plasma Physics. Insieme, gli articoli tracciano le basi teoriche ed empiriche della fisica per il nuovo sistema di fusione che il consorzio prevede di iniziare a costruire l’anno prossimo.
SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a realizzare un “plasma ardente” – cioè una reazione di fusione autosostenuta in cui diversi isotopi dell’elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza bisogno di ulteriori apporti di energia.

Il progetto SPARC

Lo studio del comportamento di questo ‘plasma ardente’ – qualcosa di mai visto prima sulla Terra in modo controllato – è visto come un’informazione cruciale per lo sviluppo del passo successivo, un prototipo funzionante di una pratica centrale elettrica che genera energia.
Tali centrali a fusione potrebbero ridurre significativamente le emissioni di gas serra del settore della generazione di energia, una delle principali fonti di queste emissioni a livello globale. Il progetto del MIT e del CFS è uno dei più grandi progetti di ricerca e sviluppo finanziati privatamente mai intrapresi nel campo della fusione.
Il progetto SPARC, sebbene sia circa il doppio dell’esperimento Alcator C-Mod del MIT, ora in pensione, è simile a diversi altri reattori a fusione di ricerca attualmente in funzione; anche se molto più potente, raggiungendo prestazioni di fusione paragonabili a quelle previste nel reattore ITER, molto più grande, in costruzione in Francia da parte di un consorzio internazionale.
L’alta potenza in un così piccolo reattore è resa possibile dai progressi dei magneti superconduttori che permettono un campo magnetico molto più forte per confinare il plasma caldo.
Il progetto SPARC è stato avviato all’inizio del 2018 e i lavori per la sua prima fase, lo sviluppo dei magneti superconduttori che consentirebbero la costruzione di sistemi di fusione più piccoli, stanno procedendo a ritmo sostenuto.
La nuova serie di documenti, rappresenta per la prima volta lo ‘zoccolo duro’ delle fisiche di base della macchina SPARC che sono state delineate in dettaglio in pubblicazioni sottoposte a peer-reviewed.
I sette articoli esplorano le aree specifiche della fisica che dovevano essere ulteriormente affinate, e che richiedono ancora una ricerca in corso per definire gli elementi finali della progettazione della macchina e le procedure operative e i test che saranno coinvolti con l’avanzamento dei lavori verso la centrale elettrica.

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Lo studio approfondito dei sette articoli alla base del progetto SPARC

Gli articoli descrivono anche l’uso di calcoli e strumenti di simulazione per la progettazione di SPARC, che sono stati testati contro molti esperimenti in tutto il mondo. Gli autori hanno utilizzato simulazioni all’avanguardia, eseguite su potenti supercomputer, che sono stati sviluppati per aiutare la progettazione di ITER.
Il grande team multi-istituzionale di ricercatori, rappresentati nel nuovo set di documenti, mirava a portare i migliori strumenti di consenso alla progettazione della macchina SPARC per aumentare la fiducia nel raggiungimento della sua missione.
L’analisi fatta finora mostra che la prevista produzione di energia di fusione del reattore SPARC dovrebbe essere in grado di soddisfare le specifiche di progetto con un comodo margine di guadagno. È progettato per raggiungere un fattore Q – un parametro chiave che denota l’efficienza di un plasma di fusione – di almeno 2, il che significa essenzialmente che viene prodotta il doppio dell’energia di fusione rispetto alla quantità di energia pompata per generare la reazione.
Questa sarebbe la prima volta che un plasma di fusione di qualsiasi tipo, ha prodotto più energia di quanta ne abbia consumata.
I calcoli a questo punto mostrano che SPARC potrebbe effettivamente raggiungere un rapporto Q di 10 o più, secondo i nuovi documenti.
Tuttavia, mentre Greenwald avverte che il team vuole fare attenzione a non promettere troppo, in quanto molto lavoro resta ancora da fare, i risultati finora ottenuti indicano che il progetto raggiungerà con successo i suoi obiettivi; e nello specifico perverrà nel suo obiettivo chiave, ovvero produrre un ‘plasma ardente’(o plasma che brucia) in cui l’auto-riscaldamento domina il bilancio energetico.
Le limitazioni imposte dalla pandemia di Covid-19 hanno rallentato un po’ i progressi; ma i ricercatori sono tornati comunque nei laboratori rispettando le nuove linee guida operative.

Il nucleo del nuovo progetto rivoluzionario

Nel complesso, “puntiamo ancora a un inizio dei lavori di costruzione circa nel giugno del ’21“; dice Greenwald. “Lo sforzo fisico è ben integrato con la progettazione ingegneristica. Quello che stiamo cercando di fare è mettere il progetto sulla più solida base fisica possibile, in modo da essere fiduciosi su come funzionerà, e poi fornire una guida e rispondere alle domande per la progettazione ingegneristica man mano che procede“.
Molti dei dettagli più importanti sono ancora in fase di elaborazione sulla progettazione della macchina, e riguardano i modi migliori per far entrare energia e carburante nel dispositivo, per far uscire l’energia, per affrontare eventuali sbalzi termici o transitori di potenza, e come e dove misurare i parametri chiave per monitorare il funzionamento della macchina”.
Finora ci sono state solo piccole modifiche al progetto complessivo. Il diametro del reattore è stato aumentato di circa il 12%, ma poco altro è cambiato”; sottolinea Greenwald. “C’è sempre la questione di un po’ più di questo, un po’ meno di quello, e ci sono un sacco di cose che pesano in questo, problemi di ingegneria, sollecitazioni meccaniche, sollecitazioni termiche, e c’è anche la fisica – come si influisce sulle prestazioni della macchina?”.
La pubblicazione di questo numero speciale della rivista”- aggiunge -“rappresenta un riassunto, un’istantanea delle basi fisiche così come sono oggi“. Sebbene i membri del team ne abbiano discusso molti aspetti durante le riunioni di fisica, “questa è la nostra prima opportunità di raccontare la nostra storia, di farla recensire, di ottenere il timbro di approvazione e di diffonderla nella comunità“.

Conclusioni

Greenwald dice che c’è ancora molto da imparare sulla fisica dei plasmi ardenti; e una volta che questa macchina sarà operativa, si potranno ottenere informazioni chiave che contribuiranno a spianare la strada a dispositivi di fusione commerciali e produttori di energia, il cui carburante – gli isotopi d’idrogeno deuterio e trizio – può essere reso disponibile in forniture in sostanza illimitate.
I dettagli del plasma che brucia “sono davvero nuovi e importanti“, asserisce l’autore. “La grande montagna che dobbiamo superare è capire questo stato di auto-riscaldamento del plasma“.
Nel complesso, dice Greenwald, il lavoro che è entrato nell’analisi presentata in questo pacchetto di documenti “aiuta a convalidare la nostra fiducia nel fatto che raggiungeremo la missione“. Non ci siamo imbattuti in nulla in cui diciamo: “oh, questo è predire che non arriveremo dove vogliamo“. In breve, dice, “una delle conclusioni è che le cose stanno ancora andando bene. Crediamo che funzionerà“.