I laboratori del Dipartimento dell’Energia USA stanno collaborando con l’industria privata per lo sviluppo di energia da fusione commerciale, un sistema che offrirebbe la possibilità di produrne di pulita e in quantità illimitata, raggiungendo prestazioni paragonabili a quelle attese per il progetto ITER.

Il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) sta collaborando con l’industria privata per la ricerca sulla fusione all’avanguardia allo scopo di ottenere energia da fusione commerciale. Questo lavoro è stato reso possibile grazie a un programma di sovvenzioni pubbliche-private del DOE per lo sviluppo di un plasma di fusione ad alte prestazioni. Per questo progetto il PPPL lavora in coordinamento con il Plasma Science & Fusion Center (PSFC) del MIT (Massachusetts Institute of Technology) e il Commonwealth Fusion Systems (CFS), spin-out creato da ex dipendenti e studenti dell’istituto con sede a Cambridge per commercializzare l’energia da fusione e le tecnologie correlate, il quale sta sviluppando un sistema di fusione tokamak (uno speciale tipo di reattore a forma di ciambella) chiamato SPARC.

Lo scopo del progetto è quello di riuscire a prevedere la fuga di particelle “alpha” prodotte durante le reazioni di fusione in SPARC, considerati le dimensioni e i potenziali disallineamenti dei magneti superconduttori che confinano il plasma. Queste particelle possono creare un plasma in gran parte auto-riscaldato, o “incandescente” (burning plasma), che alimenta le reazioni di fusione: un importante obiettivo scientifico per la ricerca sull’energia da fusione. Tuttavia, la fuga di particelle alpha potrebbe rallentare o arrestare la produzione di energia di fusione e danneggiare l’interno dell’impianto SPARC.

La fusione offre la possibilità di creare energia elettrica illimitata e priva di emissioni di carbonio grazie al processo di produzione simile a quello naturale che alimenta il sole e le altre stelle. Le reazioni di fusione combinano elementi leggeri sotto forma di plasma per generare enormi quantità di energia. Per questo motivo gli scienziati stanno cercando di utilizzare la fusione come fonte di energia virtualmente illimitata per la generazione di elettricità.

Nuovi magneti superconduttori

Tra le caratteristiche principali del sistema SPARC vi sono le dimensioni compatte e potenti campi magnetici resi possibili dalla capacità dei nuovi magneti superconduttori di operare con intensità di campo e sollecitazioni più elevate rispetto ai magneti superconduttori già esistenti. Queste caratteristiche consentiranno la progettazione e la costruzione di impianti di fusione più piccoli e meno costosi, supponendo che le particelle alpha veloci create nelle reazioni di fusione possano essere contenute abbastanza a lungo da mantenere il plasma caldo. “La nostra ricerca indica che possono esserlo”, ha affermato con sicurezza il fisico del PPPL Gerrit Kramer, che partecipa al progetto attraverso il programma DOE Innovation Network for Fusion Energy (INFUSE).

Un buon confinamento delle particelle

“Abbiamo scoperto che le particelle alfa sono davvero ben confinate nel progetto SPARC”, ha detto Kramer, coautore con Steven Scott, consulente del CFS e fisico di per lungo tempo al PPPL, di un articolo sul “Journal of Plasma Physics” che ne riporta i risultati.

Nello specifico, Kramer ha utilizzato il codice del computer SPIRAL sviluppato al PPPL per verificare il confinamento delle particelle. “Il codice, che simula il modello ondulato, o ‘ripple’ [‘increspatura’, ndr.], in un campo magnetico che potrebbe consentire la fuoriuscita di particelle veloci, ha mostrato un buon confinamento e l’assenza di danni alle pareti della SPARC”, ha detto Kramer. Dal canto suo, Scott si è rallegrato dei risultati: “È gratificante vedere la convalida computazionale della nostra comprensione delle perdite indotte da ondulazione”.

Il team di ricercatori ha notato come il disallineamento dei magneti SPARC aumenterà le perdite indotte dal “ripple” di particelle di fusione, portando a una maggiore potenza che colpisce le pareti. I loro calcoli dovrebbero fornire una guida fondamentale al team di ingegneri che lavorano a SPARC sul necessario allineamento dei magneti per evitare un’eccessiva perdita di potenza e danni alle pareti dell’impianto. Infatti, i magneti correttamente allineati consentiranno per la prima volta studi sull’auto-riscaldamento del plasma e lo sviluppo di tecniche migliorate per il controllo del plasma nelle future centrali a fusione.

Il progetto SPARC

SPARC è un esperimento di energia da fusione netta, compatta, ad alto campo (high field), sviluppato dal Plasma Science and Fusion Center del MIT e la società Commonwealth Fusion Systems (CFS). SPARC presenterebbe le dimensioni medie dei dispositivi già esistenti, ma con un campo magnetico molto più forte per confinare il plasma caldo. Se tutte le aspettative verranno soddisfatte, SPARC potrebbe raggiungere prestazioni di fusione paragonabili a quelle attese per il progetto ITER.

Il progetto SPARC è stato lanciato all’inizio del 2018, e gli studi sul dispositivo sono andati avanti a ritmi sostenuti. Nonostante i rallentamenti dovuti alla pandemia da CoVid-19, si punta a iniziare la sua costruzione nel giugno 2021. Martin Greenwald, vicedirettore del Plasma Science and Fusion Center del MIT ha affermato: “Quello che stiamo cercando di fare è porre il progetto su una base fisica più solida possibile, in modo da poter essere fiduciosi su come verrà portato a termine, e quindi fornire indicazioni e rispondere alle domande per la progettazione ingegneristica mentre questa procede”.

SPARC è progettato per essere il primo dispositivo sperimentale in assoluto a ottenere il succitato “plasma incandescente”, ovvero una reazione di fusione autosufficiente in cui diversi isotopi dell’elemento idrogeno si fondono insieme per formare elio, senza la necessità di ulteriori input di energia. Lo studio del comportamento di questo plasma incandescente – una grande innovazione perché rappresenta un processo mai visto prima sulla Terra in modo controllato – è considerato come una scoperta cruciale in vista del passo successivo: un prototipo funzionante di una centrale elettrica per la produzione di energia.

Tali centrali elettriche a fusione potrebbero ridurre in modo significativo le emissioni di gas a effetto serra dal settore della generazione di energia, una delle principali fonti di queste emissioni a livello globale. Il progetto di MIT e CFS rappresenta in questo senso uno dei più importanti progetti di ricerca e sviluppo finanziati da privati nel campo della fusione.