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Una nuova legge fondamentale libera l’energia da fusione

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I fisici dell’EPFL, all’interno di una vasta collaborazione europea, hanno rivisto una delle leggi fondamentali che è stata alla base della ricerca sul plasma e sulla fusione per oltre tre decenni, governando anche la progettazione di megaprogetti come ITER. L’aggiornamento dimostra che possiamo effettivamente utilizzare in sicurezza più combustibile a idrogeno nei reattori a fusione e quindi ottenere più energia di quanto si pensasse in precedenza.

La fusione è una delle future fonti di energia più promettenti. Si basa sull’idea che la fusione di due nuclei atomici rilascia enormi quantità di energia. In effetti, sperimentiamo la fusione ogni giorno: il calore del Sole proviene da nuclei di idrogeno che si fondono in atomi di elio più pesanti.

Attualmente esiste un megaprogetto internazionale di ricerca sulla fusione chiamato ITER che cerca di replicare i processi di fusione del Sole per creare energia sulla Terra. Il suo obiettivo è generare plasma ad alta temperatura che fornisca l’ambiente giusto per la fusione, producendo energia.

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I plasmi, uno stato ionizzato della materia simile a un gas, sono costituiti da nuclei carichi positivamente ed elettroni carichi negativamente e sono quasi un milione di volte meno densi dell’aria che respiriamo. I plasmi vengono creati sottoponendo “il combustibile di fusione” – atomi di idrogeno – a temperature estremamente elevate (10 volte quella del nucleo del Sole), costringendo gli elettroni a separarsi dai loro nuclei atomici. In un reattore a fusione, il processo avviene all’interno di una struttura a forma di ciambella (“toroidale”) chiamata “tokamak“.
Per creare plasma per la fusione, devi considerare tre cose: alta temperatura, alta densità di combustibile a idrogeno e buon confinamento“, afferma Paolo Ricci dello Swiss Plasma Center, uno dei principali istituti di ricerca sulla fusione al mondo con sede a École Polytechnique fédérale de Losanna (EPFL).

Lavorando all’interno di un’ampia collaborazione europea, il team di Ricci ha ora pubblicato uno studio che aggiorna un principio fondamentale della generazione del plasma e mostra che il prossimo tokamak ITER può effettivamente funzionare con una quantità doppia di idrogeno e quindi generare più energia di fusione di quanto si pensasse in precedenza.

Uno dei limiti nella produzione di plasma all’interno di un tokamak è la quantità di idrogeno che puoi iniettare in esso“, afferma Ricci. “Sin dai primi giorni della fusione, sappiamo che se si tenta di aumentare la densità del carburante, a un certo punto si verifica quella che chiamiamo ‘interruzione’: in pratica si perde completamente il confinamento e il plasma va ovunque. Quindi dagli anni Ottanta, cercavamo di elaborare una sorta di legge in grado di prevedere la densità massima di idrogeno che puoi inserire in un tokamak“.

Una risposta arrivò nel 1988, quando il fisica nucleare Martin Greenwald pubblicò una famosa legge che correla la densità del carburante al raggio minore del tokamak (il raggio del cerchio interno della ciambella) e alla corrente che scorre nel plasma all’interno del tokamak. Da allora, il “limite di Greenwald” è stato un principio fondamentale della ricerca sulla fusione; infatti, la strategia di costruzione del tokamak di ITER si basa su di essa.

Greenwald ha derivato la legge empiricamente, cioè completamente da dati sperimentali, non attraverso una teoria testata, o da quelli che chiameremmo ‘principi primi'”, spiega Ricci. “Tuttavia, il limite ha funzionato abbastanza bene per la ricerca. E, in alcuni casi, come nel caso di DEMO (il successore di ITER), questa equazione costituisce un grosso limite al loro funzionamento perché dice che non è possibile aumentare la densità del carburante oltre un certo livello”.

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In collaborazione con altri team di tokamak, lo Swiss Plasma Center, ha progettato un esperimento in cui è stato possibile utilizzare una tecnologia altamente sofisticata per controllare con precisione la quantità di carburante iniettato in un tokamak. I massicci esperimenti sono stati condotti presso i più grandi tokamak del mondo, il Joint European Torus (JET) nel Regno Unito, nonché l’aggiornamento ASDEX in Germania (Max Plank Institute) e il tokamak TCV dell’EPFL. Questo grande sforzo sperimentale è stato reso possibile dall’EUROfusion Consortium, l’organizzazione europea che coordina la ricerca sulla fusione in Europa ed a cui l’EPFL ora partecipa attraverso il Max Planck Institute for Plasma Physics in Germania.

Allo stesso tempo, Maurizio Giacomin, dottorando nel gruppo di Ricci, ha iniziato ad analizzare i processi fisici che limitano la densità nei tokamak, al fine di derivare una legge di principi primi in grado di correlare la densità del carburante e la dimensione del tokamak. Parte di ciò, tuttavia, prevedeva l’utilizzo di una simulazione avanzata del plasma eseguita con un modello al computer.

Le simulazioni sfruttano alcuni dei computer più grandi del mondo, come quelli messi a disposizione da CSCS, Centro nazionale svizzero di supercalcolo e da EUROfusion“, afferma Ricci. “E quello che abbiamo scoperto, attraverso le nostre simulazioni, è che quando si aggiunge più carburante al plasma, parti di esso si spostano dallo strato freddo esterno del tokamak, il confine, di nuovo nel suo nucleo, perché il plasma diventa più turbolento. Quindi, a differenza di un filo di rame elettrico, che diventa più resistente quando riscaldato, i plasmi diventano più resistenti quando si raffreddano. Quindi, più carburante ci metti alla stessa temperatura, più parti di esso si raffreddano e più è difficile che la corrente fluisca nel plasma, causando forse un’interruzione“.

Questo è stato difficile da simulare. “La turbolenza in un fluido è in realtà la questione aperta più importante nella fisica classica“, afferma Ricci. “Ma la turbolenza in un plasma è ancora più complicata perché hai anche campi elettromagnetici“.

Alla fine, Ricci e i suoi colleghi sono stati in grado di decifrare il codice e mettere “penna su carta” per ricavare una nuova equazione per il limite di carburante in un tokamak, che si allinea molto bene con gli esperimenti. Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters il 6 maggio 2022, rende giustizia al limite di Greenwald, essendovi vicino, ma lo aggiorna in modo significativo.

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La nuova equazione presuppone che il limite di Greenwald possa essere quasi raddoppiato in termini di carburante in ITER; ciò significa che i tokamak come ITER possono effettivamente utilizzare quasi il doppio della quantità di carburante per produrre plasmi senza preoccuparsi di interruzioni. “Questo è importante perché mostra che la densità che puoi ottenere in un tokamak aumenta con la potenza necessaria per eseguirlo“, afferma Ricci. “In realtà, DEMO funzionerà a una potenza molto più elevata rispetto agli attuali tokamak e ITER, il che significa che si può aggiungere più densità di carburante senza limitare la produzione, in contrasto con la legge di Greenwald. E questa è un’ottima notizia“.

Riferimento: “First-Principles Density Limit Scaling in Tokamaks Based on Edge Turbulent Transport and Implications for ITER” di M. Giacomin, A. Pau, P. Ricci, O. Sauter, T. Eich, the ASDEX Upgrade team, JET Contributors, e il team TCV, 6 maggio 2022, Physical Review Letters .
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.185003

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