Un team di scienziati guidati da ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory dell’US Department of Energy ha utilizzato un innovativo strumento diagnostico che rivela gli elettroni “in fuga” nelle fasi inziali della produzione di energia da fusione. Una svolta importante nell’ottica di contenere il rischio potenzialmente catastrofico rappresentato dalla fuoriuscita di tali particelle dal reattore.

Una sfida chiave per gli scienziati che tentano di produrre sulla Terra l’energia da fusione che alimenta il Sole e le stelle è quella di prevenire il fenomeno dei cosiddetti elettroni in fuga (o “fuggitivi”, runaway electrons – RE), ovvero le particelle che possono liberarsi durante gli esperimenti di fusione e che possono perforare i tokamak, le macchine a forma toroidale o di ciambella all’interno delle quali avvengono tali esperimenti. Un team di scienziati guidati dai ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (US DoE) ha utilizzato un nuovo strumento di diagnostica con la capacità di rilevare la nascita e le fasi di crescita lineare ed esponenziale di elettroni fuggitivi ad alta energia, il quale potrebbe consentire ai ricercatori di comprendere come sia possibile prevenire il fenomeno e i danni che ne conseguono.
“Dobbiamo vedere questi elettroni alla loro energia iniziale piuttosto che quando sono completamente ‘cresciuti’ e si muovono a una velocità prossima a quella della luce. Il passo successivo è ottimizzare i modi per fermarli prima che la popolazione di elettroni in fuga possa diventare una valanga.” Così ha spiegato il fisico del PPPL Luis Delgado-Aparicio, a guida dell’esperimento che ha rilevato i primi elettroni in fuga sul Madison Symmetric Torus (MST) presso l’Università del Wisconsin-Madison, nonché principale autore del primo articolo che dettaglia i risultati dello studio nella “Review of Scientific Instruments”. L’MST è infatti un esperimento di fisica Reversed Field Pinch (RFP – strizione a campo rovesciato) con applicazioni sia nel campo dell’energia prodotta da fusione nucleare che nel plasma astrofisico.

La nuova modalità di diagnostica

Scienziati di tutto il mondo stanno cercando di produrre e controllare la fusione sulla Terra per ottenere una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per la generazione di elettricità.
Il PPPL ha collaborato con l’Università del Wisconsin per installare un particolare stenoscopio sull’MST, che è servito come banco di prova per testarne le capacità. Lo scopo è aggiornare e riprogettare una camera che PPPL aveva precedentemente installato sul tokamak Alcator C-Mod – ora chiuso – presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT), ed è unico nella sua capacità di registrare non solo le proprietà del plasma nel tempo e nello spazio, ma anche la sua distribuzione energetica.
Questa abilità consente ai ricercatori di caratterizzare sia l’evoluzione del plasma supercaldo che la nascita di elettroni fuggitivi, che inizia a un livello di bassa energia.

Una collaborazione scientifica per il progresso tecnologico

L’uso della nuova camera fa progredire la tecnologia. “Questa è stata certamente una grande collaborazione scientifica”, ha commentato il fisico Carey Forest, professore dell’Università del Wisconsin che supervisiona l’MST, il quale viene descritto come “una macchina molto robusta in grado di produrre elettroni fuggitivi che non ne mettono in pericolo il funzionamento”.
Di conseguenza, ha affermato Forest: “La capacità di Luis [Delgado-Aparicio, ndr] di diagnosticare non soltanto il luogo di nascita e la fase di crescita lineare iniziale degli elettroni mentre vengono accelerati, e poi di seguire come vengono trasportati dall’esterno verso l’interno, è affascinante. Confrontare la sua diagnosi con la modellizzazione sarà il passo successivo e, naturalmente, una migliore comprensione potrebbe portare in futuro a nuove tecniche di mitigazione [del rischio connesso con gli elettroni fuggitivi, ndr].”.
Delgado-Aparicio guarda già avanti: “Voglio prendere tutta l’expertise che abbiamo sviluppato sull’MST e applicarla a un grande tokamak”. Infatti due ricercatori che Delgado-Aparicio supervisiona possono far leva sui risultati dell’MST, ma lavorando sul WEST (acronimo che sta per W Environment in Steady state Tokamak, dove W è il simbolo chimico del tungsteno) gestito dalla Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA) a Cadarache.

Gamma di usi

“Quel che voglio fare con i miei ricercatori è impiegare le camere per molte cose diverse, inclusi il trasporto di particelle, il confinamento, il riscaldamento a radiofrequenza, e anche questa nuova svolta, la diagnosi e lo studio degli elettroni fuggitivi”, ha detto Delgado-Aparicio. “Fondamentalmente, vorremmo capire come attenuare i rischi collegati agli elettroni.”
Due decine di ricercatori hanno partecipato alla ricerca con Delgado-Aparicio e sono stati co-autori dell’articolo basato su questo lavoro. Il team include sette fisici del PPPL e otto dell’Università del Wisconsin. Insieme a loro anche tre ricercatori provenienti rispettivamente dall’Università di Tokyo, dall’Università di Kyushi e dagli Istituti nazionali di scienza e tecnologia quantistica e radiologica del Giappone; cinque membri di Dectris, un produttore svizzero di detector; e un fisico dell’Edgewood College di Madison, Wisconsin. Il lavoro è supportato dall’Office of Science dell’US DoE.