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May 09, 2023

Avanzamento dell'energia da fusione: i ricercatori raggiungono un record

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Peter Hansen/iStock

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Le reazioni di fusione nucleare generano grandi quantità di energia. Un esempio di fusione nucleare sono le reazioni che avvengono nel nucleo del sole. Sfruttare l'energia da fusione è da tempo un obiettivo di scienziati e ricercatori poiché non produce emissioni di gas serra o rifiuti radioattivi a lunga vita.

Tuttavia, ci sono diversi colli di bottiglia nella produzione di energia da fusione, come la necessità di alte temperature e pressioni, l’instabilità del plasma, i costi, la scalabilità e la ricerca dell’equilibrio energetico.

Nonostante queste sfide, sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca sull’energia da fusione.

I Tokamak sono un dispositivo utilizzato nella fusione a confinamento magnetico. In queste reazioni, viene utilizzato un potente campo magnetico per controllare e confinare il plasma caldo del combustibile di fusione nel nocciolo del reattore. Il plasma viene riscaldato ad alte temperature mediante iniezione di raggio neutro o riscaldamento a radiofrequenza. L’obiettivo principale è mantenere uno stato plasmatico stabile in cui le reazioni di fusione possano avvenire continuamente, fornendo una fonte di energia illimitata.

Un recente studio condotto da ricercatori dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e della Tokamak Energy Ltd mostra un significativo passo avanti nella ricerca sull’energia da fusione. Il team ha raggiunto temperature di quasi 100 milioni di gradi Celsius, necessarie affinché le centrali a fusione possano generare energia commerciale.

Inoltre, hanno raggiunto temperature elevate in un tokamak compatto, cosa mai fatta prima!

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati sul perfezionamento delle condizioni operative di un dispositivo tokamak sferico (ST) ad alto campo chiamato ST40. Rispetto ad altri dispositivi di fusione, il dispositivo ST40 si distingue per le sue dimensioni più ridotte e per il suo plasma sferico.

Il team ha utilizzato un approccio simile a quello degli anni ’90 con il tokamak TFTR, che ha generato oltre 10 milioni di watt di potenza di fusione. L'ST40 funzionava con un campo magnetico toroidale (a forma di ciambella) a valori leggermente superiori a 2 Tesla.

Il team ha utilizzato 1,8 milioni di watt di particelle neutre ad alta energia per riscaldare il plasma. Sebbene la scarica di plasma, o il periodo in cui si svolgevano attivamente le reazioni di fusione, fosse di soli 0,15 secondi, la temperatura degli ioni nel nucleo ha raggiunto più di 100 milioni di gradi Celsius.

Il team ha utilizzato il codice di trasporto TRANSP sviluppato presso PPPL per misurare le temperature degli ioni. Questo codice è utile perché tiene conto dei profili di temperatura misurati delle impurità e del deuterio, il combustibile primario utilizzato nei reattori a fusione.

Hanno scoperto che l’intervallo di temperatura per le impurità era superiore a 8,6 keV (circa 100 milioni di gradi Celsius), mentre l’intervallo di temperatura per il deuterio era attorno a quel valore. Questa scoperta suggerisce che il metodo di riscaldamento utilizzato nell’esperimento ha effettivamente raggiunto le alte temperature desiderate.

I risultati forniscono ottimismo per il futuro sviluppo di centrali elettriche a fusione basate su tokamak sferici compatti ad alto campo. Questi progressi potrebbero portare a soluzioni di energia da fusione più efficienti ed economicamente sostenibili, offrendo una strada promettente per la generazione di energia sostenibile e pulita.

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nuclear Fusion.

Estratto dello studio:

Temperature ioniche superiori a 100 milioni di gradi Kelvin (8,6 keV) sono state prodotte nel tokamak sferico compatto ad alto campo ST40 (ST). Temperature ioniche superiori a 5 keV non sono state precedentemente raggiunte in nessun ST e sono state ottenute solo in dispositivi molto più grandi con una potenza di riscaldamento del plasma sostanzialmente maggiore. Si calcola che il corrispondente triplo prodotto di fusione sia ni0Ti0τE≈6±2 x 1018 m-3 keV. Questi risultati dimostrano per la prima volta che le temperature ioniche rilevanti per la fusione commerciale a confinamento magnetico possono essere ottenute in una ST compatta ad alto campo e sono di buon auspicio per le centrali a fusione basate sulla ST ad alto campo.