Il Wendelstein 7-X dimostra la sua efficienza

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È stato ora confermato uno dei più importanti obiettivi di ottimizzazione alla base del dispositivo di fusione Wendelstein 7-X presso il Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) a Greifswald. Un’analisi degli scienziati dell’IPP sulla rivista Nature mostra, nella gabbia del campo magnetico ottimizzata, le perdite di energia del plasma che vengono ridotte nel modo desiderato.

Wendelstein 7-X ha lo scopo di dimostrare che gli svantaggi dei precedenti stellarator possono essere superati e che i dispositivi di tipo stellarator sono adatti per le centrali elettriche.

Lo stellarator Wendelstein 7-X ottimizzato, entrato in funzione cinque anni fa, ha lo scopo di dimostrare che gli impianti di fusione di tipo stellarator sono adatti per le centrali elettriche. Il campo magnetico, che racchiude il plasma caldo e lo tiene lontano dalle pareti del vaso, è stato progettato con un grande sforzo teorico e computazionale in modo tale da evitare gli svantaggi dei precedenti stellarator. Uno degli obiettivi più importanti era ridurre le perdite di energia del plasma, causate dall’ondulazione del campo magnetico. Ciò è responsabile delle particelle di plasma che si spostano verso l’esterno e si perdono nonostante siano legate alle linee del campo magnetico.

A differenza dei dispositivi concorrenti di tipo tokamak, per i quali questa cosiddetta perdita di energia e particelle “neo-classica” non è un grosso problema, è una grave debolezza negli stellarator convenzionali. Fa sì che le perdite aumentino così tanto con l’aumento della temperatura del plasma che una centrale elettrica progettata su questa base sarebbe molto grande e quindi molto costosa.

Nei tokamak, invece, grazie alla loro forma simmetrica, le perdite dovute all’ondulazione del campo magnetico sono solo minime. Qui, le perdite di energia sono determinate principalmente da piccoli movimenti di vortice nel plasma, dalla turbolenza, che viene aggiunta anche come canale di perdita negli stellarator. Pertanto, al fine di raggiungere le buone proprietà di confinamento dei tokamak, abbassare le perdite neoclassiche è un compito importante per l’ottimizzazione degli stellarator. Di conseguenza, il campo magnetico di Wendelstein 7-X è stato progettato per ridurre al minimo tali perdite.

In un’analisi dettagliata dei risultati sperimentali di Wendelstein 7-X, gli scienziati guidati dal Dr. Craig Beidler della Stellarator Theory Division di IPP hanno ora studiato se questa ottimizzazione porta all’effetto desiderato. Con i dispositivi di riscaldamento finora disponibili, Wendelstein 7-X è già stato in grado di generare plasmi ad alta temperatura e stabilire il record mondiale di stellarator per il “prodotto di fusione” ad alta temperatura. Questo prodotto di temperatura, densità del plasma e tempo di confinamento energetico indica quanto ci si avvicina ai valori per un plasma in fiamme.

Un tale plasma record è stato ora analizzato in dettaglio. Ad alte temperature del plasma e basse perdite turbolente, le perdite neoclassiche nel bilancio energetico potrebbero essere ben rilevate, rappresentando il 30 percento della potenza di riscaldamento, una parte considerevole del bilancio energetico.

L’effetto dell’ottimizzazione neoclassica di Wendelstein 7-X è ora mostrato da un esperimento mentale: si è ipotizzato che gli stessi valori e profili di plasma che hanno portato al risultato record in Wendelstein 7-X siano stati raggiunti anche in impianti con un campo magnetico meno ottimizzato. Quindi sono state calcolate le perdite neoclassiche attese, con un risultato chiaro: sarebbero maggiori della potenza di riscaldamento in ingresso, il che è un’impossibilità fisica. “Ciò dimostra”, afferma il professor Per Helander, capo della Divisione Teoria di Stellarator, “che i profili di plasma osservati in Wendelstein 7-X sono concepibili solo in campi magnetici con basse perdite neoclassiche. Al contrario, ciò dimostra che l’ottimizzazione del campo magnetico di Wendelstein ha abbassato le perdite neoclassiche”.

Tuttavia, le scariche di plasma sono state finora solo brevi. Per testare le prestazioni del concetto Wendelstein in funzionamento continuo, è attualmente in corso l’installazione di un rivestimento murale raffreddato ad acqua. Equipaggiati in questo modo, i ricercatori lavoreranno gradualmente fino a plasmi lunghi 30 minuti. Quindi sarà possibile verificare se Wendelstein 7-X può raggiungere i suoi obiettivi di ottimizzazione anche nel funzionamento continuo, il principale vantaggio degli stellarator.

Sfondo

L’obiettivo della ricerca sulla fusione è sviluppare una centrale elettrica rispettosa del clima e dell’ambiente. Simile al sole, serve a generare energia dalla fusione dei nuclei atomici. Poiché il fuoco di fusione si accende solo a temperature superiori a 100 milioni di gradi, il carburante, un plasma di idrogeno a bassa densità, non deve entrare in contatto con le pareti fredde del recipiente. Trattenuto da campi magnetici, galleggia quasi senza contatto all’interno di una camera a vuoto.

La gabbia magnetica di Wendelstein 7-X è creata da un anello di 50 bobine magnetiche superconduttrici. Le loro forme speciali sono il risultato di sofisticati calcoli di ottimizzazione. Con il loro aiuto, la qualità del confinamento del plasma in uno stellarator raggiunge il livello delle strutture di tipo tokamak concorrenti.

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