Perché il Max Planck Institute voleva cucinare il plasma nel suo Fusion Reactor

Non c'è niente come un reattore a fusione per generare eccitazione. Dopo nove anni di costruzione e 1 miliardo di euro, gli scienziati dell'Istituto Max Planck di fisica del plasma hanno lanciato il primo test a caldo del dispositivo di fusione 7-X Wendelstein il 10 dicembre e hanno generato un plasma di elio che è durato per un decimo di secondo e ha raggiunto un milione di gradi Celsius. Ma non esagerare ancora. Questo era solo un passo verso la preparazione del dispositivo per il suo vero scopo: studiare la fusione nucleare con l'idrogeno.

Ok, ora sei pompato.

La fusione è stata a lungo il vitello d'oro della ricerca sull'energia nucleare, mostrando la fissione nucleare in tutte le categorie tranne la fattibilità. La fusione produce una quantità enorme di energia - è, dopo tutto, lo stesso processo che alimenta il sole. Ma il suo stesso potere lo rende un rompicoglioni da affrontare. Ogni reattore a fusione costruito finora ha consumato più energia di quella prodotta. Il record di potenza di fusione è stato fissato nel 1997: 16 megawatt prodotti con una potenza in ingresso di 24 megawatt. Ma se qualcuno riesce a trasformare questa equazione in giro … Puoi dire energia economica, senza emissioni di carbonio?

A differenza del suo cugino meno sofisticato, la fusione non produce scorie radioattive. Il ciclo di approvvigionamento dell'idrogeno è meno problematico rispetto al ciclo di approvvigionamento dell'uranio. Per essere onesti, le fonti più comuni di idrogeno oggi sono carbone e gas naturale, ma l'idrogeno potrebbe invece essere prodotto mediante elettrolisi.

Fissione e fusione sono simili sotto due aspetti. Entrambi sfruttano la conversione di atomi di un elemento in atomi di un altro elemento, ed entrambi sono stati inizialmente utilizzati come armi. Fat Man e Little Boy, le bombe a fissione lanciate su Hiroshima e Nagasaki nel 1945, cedettero il passo nel 1952 a dispositivi di fusione come Ivy Mike. (Sebbene Ivy Mike non fosse stata costruita come una bomba, fu presto seguita dalle testate termonucleari molti megatoni di resa consegnabili dal missile intercontinentale.)

La bomba a fusione era conosciuta come una bomba H per una ragione: il rilascio senza precedenti di energia proveniva dalla fusione di atomi di idrogeno. I ricercatori della fusione cercano di sfruttare questo effetto per la generazione di energia civile. Risulta che questa è una sfida. La fusione dell'idrogeno sulla superficie terrestre richiederebbe temperature superiori a un milione di gradi Celsius. A queste temperature, l'idrogeno e l'elio diventano un plasma, la quarta forma di materia.

Ma che diavolo è un plasma, comunque?

In breve, un plasma è un gas ionizzato. In un plasma, tutti i legami molecolari si dissolvono e gli elettroni lasciano i loro atomi ospiti. I plasmi sono altamente conduttivi perché hanno una densità di portatore ad alta carica, cioè gli elettroni e gli ioni sono liberi di muoversi indipendentemente l'uno dall'altro in risposta a un campo elettrico.

Sebbene tutto ciò suoni esotici, i plasmi fanno regolarmente apparenze nelle nostre vite. La luce dei fulmini e delle insegne al neon proviene da elettroni che si ricombinano con gli ioni e affondano in stati quantici inferiori, un processo noto come emissione spontanea. Alcune fiamme sono abbastanza calde per ionizzare i gas di scarico e le torce al plasma, gli schermi al plasma e le saldatrici ad arco utilizzano tutti i plasma.

Ma tutti quelli non hanno nulla sul plasma in un reattore a fusione. A un milione di gradi Celsius, gli atomi nella zuppa di fusione sono estremamente energici. Se non sono contenuti, si lanciano, danneggiano l'apparecchio e non si fondono l'un l'altro. Senza contenimento, probabilmente non raggiungerai mai un milione di gradi in primo luogo.

Il contenimento è il grande sfida nella ricerca sulla fusione. Il plasma deve essere tenuto in uno spazio ristretto e non deve toccare le pareti della nave di fusione. Inutile dire che la nave deve essere tenuta sotto vuoto. Wendelstein 7-X utilizza 65 pompe per vuoto per mantenere la pressione a 0,000000001 millibar. (Questo è 0.000001 Pascal per voi amanti del SI.) L'unico mezzo realistico con cui limitare un gas ionizzato a temperature infernali è di tenerlo in un campo magnetico. Ed è qui che le cose si fanno davvero difficili.

Per anni, il design più popolare del reattore a fusione era il tokamak. In anni prima che i super-computer giocassero a scacchi, trashed umani a Jeopardy, e piegato le proteine, gli scienziati hanno escogitato modi intelligenti per produrre il campo magnetico correttamente sagomato. In un tokamak, una corrente elettrica che attraversa le coppie di plasma con elettromagneti esterni crea il campo magnetico necessario.

Non così in Wendelstein 7-X. Qui, il campo di contenimento proviene interamente da elettromagneti superconduttori esterni. Il team di ricerca ha utilizzato un supercomputer per ottimizzare la forma di questi magneti ed eliminare la necessità di una corrente di plasma. Questo stile di reattore a fusione è noto come stellarator.

Finora, nessuno ha costruito un reattore a fusione che genera più energia di quanta ne consumi. Persino Wendelstein 7-X, il più grande reattore di tipo stellarator al mondo, è stato costruito per scopi di ricerca, non per generare energia. Ma se vuoi investire le tue speranze in un progetto di fusione, Wendelstein 7-X è un buon punto di partenza. Assicurati di tenere d'occhio anche ITER, destinato a diventare il tokamak più grande del mondo.