High-power TCV scenario for conventional and alternative divertor studies

Per comprendere la sfida affrontata in questa nuova ricerca, è necessario innanzitutto comprendere il problema fondamentale della costruzione di un impianto a fusione nucleare. La fusione, il processo che alimenta il sole, consiste nello scagliare atomi l'uno contro l'altro per rilasciare un'energia immensa. Tuttavia, sulla Terra, questa reazione crea un gas surriscaldato chiamato plasma, che è così caldo da poter fondere qualsiasi contenitore solido. Per mantenere il plasma in sospensione, gli scienziati utilizzano potenti campi magnetici per contenerlo in un anello a forma di ciambella. Mentre la gabbia magnetica mantiene il corpo principale del plasma lontano dalle pareti, un sottile strato di gas proprio al bordo, noto come strato di scarico (scrape-off layer), inevitabilmente sfugge. Questo gas in fuga trasporta via il calore e deve essere guidato in sicurezza verso un'area di scarico specifica, chiamata divertore, dove può essere raffreddato e rimosso. Se questo calore non viene gestito, danneggerà la macchina. L'obiettivo è trovare un modo per distribuire questo calore o raffreddarlo prima che colpisca il bersaglio di scarico, uno stato noto come "distacco" (detachment), senza perdere l'energia necessaria per mantenere in corso la reazione di fusione.

Per decenni, i ricercatori hanno testato diverse forme per questi sistemi di scarico magnetico, sperando di trovare un design in grado di gestire il calore estremo previsto per le future centrali elettriche. La maggior parte degli esperimenti precedenti su macchine più piccole è stata limitata perché non riusciva a generare abbastanza calore per sottoporre a stress test questi nuovi design. Era come cercare di testare i freni di un'auto guidando lentamente in un parcheggio, invece che a velocità autostradale. Un team di scienziati presso il tokamak TCV in Svizzera ha ora cambiato le cose creando un nuovo modo operativo ad alta potenza che spinge la macchina ai suoi limiti. Sono riusciti a iniettare una quantità massiccia di energia di riscaldamento nel plasma mantenendo la densità del gas molto bassa. Questa combinazione ha creato uno scenario in cui il calore che colpisce il bersaglio di scarico ha raggiunto livelli mai visti prima su questa specifica macchina, portando le condizioni molto più vicine a quelle che un vero impianto di energia dovrebbe affrontare.

I ricercatori ci sono riusciti utilizzando un sistema di riscaldamento specializzato che spara fasci di microonde direttamente nel centro del plasma. Hanno pompato 2,5 megawatt di potenza, che sono stati quasi interamente assorbiti dal plasma, e hanno mantenuto una forte corrente elettrica di 300.000 ampere che scorre attraverso il gas. Fondamentalmente, hanno mantenuto la quantità di gas nella macchina molto bassa, molto meno di quanto venga tipicamente utilizzato in esperimenti simili. Questa bassa densità è importante perché rende il problema dello scarico del calore molto più difficile da risolvere, costringendo le forme magnetiche a lavorare di più. In queste condizioni intense, il calore che fluisce lungo le linee del campo magnetico verso il bersaglio di scarico ha raggiunto un picco di 100 megawatt per metro quadrato. Questo è dieci volte superiore a quanto questa macchina avesse mai prodotto in studi precedenti ed entra nel range dei flussi di calore presenti in dispositivi di fusione più grandi e potenti in tutto il mondo.

Con questa nuova configurazione ad alta potenza, il team è stato in grado di testare una grande varietà di forme magnetiche progettate per migliorare la gestione del calore. Hanno esplorato configurazioni con gambe di scarico lunghe e allungate, così come design che utilizzano punti magnetici extra per distribuire il calore su un'area più ampia. Hanno scoperto che, sebbene la macchina potesse sostenere questi carichi di calore estremi, raffreddare il plasma fino a uno stato di distacco sicuro tramite l'immissione di gas (gas seeding) era sorprendentemente difficile. Quando hanno iniettato gas azoto per cercare di raffreddare lo scarico, la radiazione è aumentata, ma anche il nucleo del plasma è diventato più caldo e più impuro. Il flusso di calore al bersaglio è diminuito solo leggermente e il plasma non ha raggiunto lo stato di completo distacco in cui il calore viene completamente rimosso prima di colpire la parete. Ciò suggerisce che, in questo specifico ambiente ad alta potenza e bassa densità, i metodi abituali per raffreddare lo scarico sono meno efficaci rispetto agli esperimenti a potenza inferiore.

La significatività di questo lavoro risiede nel modo in cui le condizioni ora corrispondono a quelle previste per i futuri reattori come ITER e SPARC. I ricercatori hanno calcolato che la difficoltà di raffreddare il plasma nel loro nuovo scenario è paragonabile a quella che questi enormi macchine del futuro dovranno affrontare. Hanno misurato una metrica specifica per la difficoltà di distacco che ha raggiunto valori compresi tra 200 e 350, simili ai valori attesi per SPARC e ARC, due proposti dispositivi di fusione di prossima generazione. Sebbene la macchina in sé sia molto più piccola di una centrale elettrica, la fisica dello scarico del calore che sta gestendo è ora sulla stessa scala. Ciò significa che la macchina TCV può ora servire come banco di prova vitale per comprendere come diverse forme magnetiche si comporteranno sotto lo stress di livello reattore, aiutando gli scienziati a perfezionare i loro design prima di costruire le centrali su scala reale del futuro. Lo studio conferma che, sebbene i carichi di calore siano ora sufficientemente elevati da essere rilevanti, il percorso per gestirli in sicurezza rimane una sfida complessa che richiede ulteriori indagini.