Definizione dei tipi
Il Stellarator
Wendelstein 7-X
17 dicembre 2015
Ecco, i tedeschi, dopo 19 anni lunghi, hanno terminato l'assemblaggio di questo vero incubo tecnologico che è uno stellarator. A dicembre, questa macchina ha prodotto il suo primo plasma, decenni prima di ITER. Ovviamente, le persone che visitano il mio sito mi hanno assalito di domande su questa macchina.
Sono occorsi 19 anni perché questo progetto vedesse la luce e un milione di ore di lavoro. Conta 20 bobine piane e 50 bobine non piane. Perché questa distinzione? Quando si vuole creare un campo magnetico in queste bobine, è necessario far circolare una corrente molto intensa che può raggiungere dodicimila ampere. Tuttavia, quando si fa passare una corrente intensa in un avvolgimento, è sottoposto a forze centrifughe che tendono a dargli una forma circolare. In caso di necessità, queste forze possono causare la rottura della bobina. La camera dello stellarator tedesco ha una geometria molto complessa
è stato necessario prevedere bobine di forme non solo circolari, ma anche curve:
Perché una geometria così complessa? Se guardate i 5 video che ho installato su YouTube, i principi fondamentali dei Tokamak vi vengono presentati. Essi partono da un'idea venuta dal freddo, dovuta ad Andrei Sakharov e Artsimovitch. Se si equipaggia una camera toroidale con bobine circolari, regolarmente disposte, il campo magnetico sarà più intenso vicino all'asse della macchina, dove le bobine sono più vicine tra loro. I plasmi tendono a spostarsi verso le aree dove il campo è minimo, quindi il campo magnetico tenderà a espellere il plasma creato nella camera verso l'esterno. Il Tokamak rappresenta una prima soluzione. Utilizzando un solenoide disposto lungo l'asse della macchina, che crea un campo che cresce lentamente (che raggiungerà 13 tesla su ITER), il quale bagna la camera di prova, si genera una corrente indotta che si chiude circolarmente nel plasma. Questa corrente crea a sua volta un campo, detto poloidale, che si combina con quello creato dalle bobine che circondano la camera. In conclusione, le linee di campo assumono una forma a spirale.
Poiché le particelle cariche tendono a spiraleggiare attorno alle linee del campo magnetico, seguiranno queste ultime. Questo permetterà di mantenere il plasma al centro della camera. Un'alternativa, suggerita dall'americano Lyman Spitzer negli anni cinquanta, è di fare ciò che chiamò un Stellarator. La macchina Wendelstein X-7 è uno stellarator :
In giallo, la camera della macchina, in blu le numerose bobine. Durante la sua progettazione, lo stellarator tedesco ha subito numerosi calcoli al computer per ottimizzare la forma della sua camera e il disegno delle sue bobine. Tutto ciò ha richiesto un enorme lavoro e un milione di ore di lavoro.
Perché optare per lo stellarator invece che per il tokamak? Nel tokamak (e in ITER) il principale problema è la possibilità di verificarsi di interruzioni. All'interno della camera, il "corrente del plasma" (15 milioni di ampere per ITER) può essere rappresentato in modo immaginativo come un serpente che si morde la coda. In modo molto schematico, un'interruzione può essere paragonata alla rottura del modo in cui questa corrente si avvolge. Allora il serpente lascia la coda e va "a mordere la parete". Su ITER questa "morsura" è valutata a 11 milioni di ampere.
La causa: una turbolenza MHD. Peggio ancora: questa distorsione del campo magnetico si accompagna a gradienti che sono aree che accelerano le particelle cariche: essenzialmente gli elettroni. Questi acquisiscono velocità relativistiche, vicine alla velocità della luce, e acquisiscono energie molto elevate. A partire da una certa velocità, smettono praticamente di interagire con gli ioni. Li chiamiamo allora elettroni disaccoppiati. Ma per "effetto valanga" accelerano altri elettroni. C'è un effetto moltiplicativo, considerevole su ITER.
In uno stellarator, questi fenomeni non esistono. Questo non vuol dire che altre instabilità non possano manifestarsi. Solo l'esperimentazione fornirà la risposta a questa domanda. Da mezzo secolo, le macchine a plasma hanno riservato troppo brutte sorprese per non dover procedere gradualmente.
La macchina tedesca ha un sistema di magnetizzazione in cui l'intensità del campo raggiunge 3 tesla. Il sistema di riscaldamento con onde radio è previsto per funzionare per 10-50 secondi. Un sistema di iniezione di neutroni rappresenta un apporto di energia di potenza di 8 MW. Con questo dispositivo, i ricercatori sperano di portare il plasma, nella camera, con una densità di 3 1020 nuclei per metro cubo a una temperatura di 60-120 milioni di gradi.
Lo stellarator tedesco non permetterà di ottenere un plasma di fusione "autonomo", dove l'energia derivante dalla fusione sarebbe sufficiente a mantenere la temperatura del plasma a un livello sufficiente. Con queste diverse macchine si cerca di accendere il "fuoco nucleare". Potete paragonarlo a un tentativo di accendere "legna un po' umida" con pezzi di cassette o un "fiammifero". Finché questa legna umida brucia, partecipa al processo esoterico. Quando i pezzi di legna secca o il fiammifero sono consumati, due casi. O la combustione della legna umida emette abbastanza calore da mantenere il fuoco autonomo, oppure questa energia emessa sarà insufficiente e il fuoco si spegnerà e dovrete ricominciare l'operazione con un nuovo fiammifero.
Nessuna macchina a plasma al mondo ha finora creato tali condizioni. La più performante: il JET ha permesso di raggiungere il coefficiente Q = energia iniettata/energia prodotta al valore 0,6. L'obiettivo di ITER era ottenere un coefficiente superiore all'unità. Nel passare, non abbiamo alcuna idea su come si comporterebbe un plasma di fusione improvvisamente autonomo. Come in tutto ciò che riguarda queste questioni, è molto difficile fare previsioni teoriche.
Lo stellarator tedesco ha rappresentato un costo proporzionale alla sua complessità. Credo che le spese siano ammontate a un miliardo di euro. Ma è un progetto che è arrivato a maturità. La macchina è stata costruita, i dispositivi di magnetizzazione sono operativi e a inizio dicembre, i ricercatori hanno ottenuto il loro primo plasma. La prossima fase consisterebbe nell'aumentare l'apporto di energia, negoziato, come nei tokamak, con onde radio e iniezioni di neutroni. Queste sono tecniche che sono padroneggiate. La prima domanda è: "Questa macchina risponde alle aspettative dal punto di vista del confinamento del suo plasma?". Sembra che una risposta positiva iniziale sia stata ottenuta.
Lo stellarator rappresenta una soluzione rispetto alla produzione di energia tramite fusione? È ancora troppo presto per dirlo. Ma il suo costo rimane 16 volte inferiore a quello di ITER. La macchina ha un'enorme vantaggio su questo progetto faraonico: funziona, e i ricercatori non devono temere che venga immediatamente danneggiata da un'interruzione, il che non è il caso di ITER.
Questo rischio danneggia terribilmente questo ultimo progetto. Se si guarda come è progettato ITER, qualsiasi sostituzione di componente può rappresentare un problema irrisolvibile. I componenti che rappresentano la meta preferita di queste interruzioni sono...