Fusione nucleare: la risonanza ciclotronica sblocca gli ioni elio-3

Nel cuore della ricerca sulla fusione nucleare, gli scienziati che operano presso il Wendelstein 7-X (W7-X), il più grande impianto stellator al mondo, hanno raggiunto un risultato di fondamentale importanza: la generazione di ioni di elio-3 ad alta energia.

Questa conquista rappresenta un progresso significativo per il campo della fusione, come annunciato dagli stessi ricercatori, che hanno impiegato la tecnica del riscaldamento tramite risonanza ciclotronica ionica per raggiungere questo traguardo.

Fusione nucleare: una pietra miliare con ioni di Elio-3 ad alta energia

L’esperimento condotto al W7-X, una struttura all’avanguardia gestita dall’Istituto Max Planck per la Fisica del Plasma, affronta una delle sfide più impellenti per la realizzazione di centrali a fusione funzionali. Le future centrali energetiche basate sulla fusione richiedono il contenimento efficace di un plasma a temperature estreme, nell’ordine di svariati milioni di gradi Celsius.

All’interno di questo plasma, le reazioni di fusione generano “particelle alfa” (nuclei di elio-4) ad alta energia. Queste particelle sono essenziali per il mantenimento delle temperature necessarie a sostenere la reazione di fusione in modo continuo. Se le particelle alfa dovessero sfuggire troppo rapidamente dal plasma, il sistema si raffredderebbe, impedendo la prosecuzione della reazione di fusione e compromettendo la produzione di energia.

Considerando il ruolo sperimentale del W7-X e le sue dimensioni, che sono ridotte rispetto a quelle di una centrale a fusione su vasta scala, gli scienziati impiegano tecniche simulate. Utilizzando particelle più leggere e a bassa energia, riescono a replicare le condizioni critiche che si verificherebbero in un reattore a piena capacità, permettendo così di studiare e ottimizzare il contenimento del plasma e il comportamento delle particelle ad alta energia in un ambiente controllato.

La tecnica ICRH: sincronismo e potenza per il plasma

La ricerca nel campo della fusione nucleare ha compiuto un passo avanti significativo con la riuscita accelerazione di ioni di elio-3 ad alta energia all’interno dello stellarator Wendelstein 7-X (W7-X). Come hanno spiegato gli scienziati, la chiave di questo successo risiede nella capacità di “accelerare ioni di elio-3, più leggeri, fino a raggiungere un’energia adatta allo scopo”. Questo traguardo non solo sposta in avanti i confini della ricerca, ma offre anche nuove prospettive per il futuro dell’energia da fusione.

Per raggiungere questo ambizioso obiettivo, il team di ricerca ha impiegato una metodologia all’avanguardia: il riscaldamento mediante risonanza ciclotronica ionica (ICRH). Questa tecnica può essere efficacemente paragonata al gesto di spingere un bambino su un’altalena: “Per essere efficace, ogni spinta deve essere esattamente in sintonia con la frequenza naturale dell’altalena, in altre parole deve essere in risonanza”.

In termini più tecnici, l’ICRH sfrutta potenti onde ad alta frequenza, con potenze nell’ordine dei megawatt. Queste onde elettromagnetiche vengono immesse in un plasma contenente idrogeno ed elio-4. La peculiarità sta nella capacità di sintonizzare la frequenza di queste onde in modo da farla corrispondere precisamente alla frequenza ciclotronica ionica degli ioni di elio-3, ovvero la frequenza specifica con cui queste particelle orbitano naturalmente attorno alle linee del campo magnetico.

Quando questa risonanza viene raggiunta, gli ioni assorbono energia in modo estremamente efficiente, accelerandosi fino a raggiungere l’alta energia desiderata. Questa è la prima volta in assoluto che ioni di elio-3 ad alta energia vengono prodotti in uno stellarator utilizzando il riscaldamento mediante risonanza ciclotronica ionica, segnando una prima mondiale nella ricerca sulla fusione.

Il successo di questo sistema ICRH non è frutto di un singolo sforzo, ma è il risultato di una collaborazione internazionale. Il sistema è stato sviluppato e viene gestito presso il W7-X sotto l’egida del Trilateral Euregio Cluster (TEC), una stretta partnership che include il Laboratorio di Fisica del Plasma della Royal Military Academy di Bruxelles e gli istituti Jülich IFN-1 e ITE. Questa sinergia tra enti di ricerca diversi ha permesso di combinare competenze e risorse, portando a questo risultato rivoluzionario nel campo della fusione.

Dall’esperimento solare al mistero del Sole

L’innovazione conseguita al Wendelstein 7-X, con la generazione di ioni di elio-3 ad alta energia, estende le sue implicazioni ben oltre i confini terrestri, offrendo una prospettiva inedita su fenomeni astrofisici. I ricercatori hanno scoperto che gli stessi processi di risonanza impiegati per accelerare le particelle di elio-3 nel W7-X potrebbero fornire una spiegazione a un enigma che affligge gli scienziati solari da tempo.

Questa ricerca non solo contribuisce allo sviluppo di una fonte di energia sostenibile sulla Terra, ma offre anche intuizioni inaspettate sul funzionamento intrinseco del Sole. Il team ha osservato che i medesimi processi di risonanza che eccitano le particelle di elio-3 nel W7-X potrebbero analogamente spiegare la presenza occasionale di nubi ricche di elio-3 nell’atmosfera solare.

Si ipotizza che le particelle di elio-3 presenti sul Sole possano essere selettivamente accelerate dalle onde elettromagnetiche naturali che pervadono la sua atmosfera. Questo meccanismo di risonanza porterebbe alla formazione di gigantesche nubi, caratterizzate da una concentrazione di elio-3 fino a 10.000 volte superiore rispetto alla norma.

Le scoperte ottenute nel campo della fusione nucleare dimostrano come la scienza non stia solo plasmando il futuro energetico del nostro pianeta, ma stia anche fungendo da chiave per svelare misteri profondi del cosmo che ci circonda. La comprensione di queste interazioni tra plasma e onde elettromagnetiche, sia in un ambiente controllato come lo stellarator sia in un contesto astrofisico come il Sole, apre nuove strade per la ricerca in entrambe le discipline.

Per maggiori informazioni, leggi il comunicato stampa.