Tokamak: energia per il futuro?

Sembra che per i futuri viaggi spaziali l’energia per spingere le navicelle sarà generata dai motori al plasma.

Cosa sono i motori al plasma?
La mia mente allora va indietro nel tempo, va ai miei ricordi universitari quando erano da poco passati poco più di dieci anni da quando fu concepita una macchina chiamata Tokamak nata per generare una fusione termonucleare allo scopo di estrarre l’energia prodotta dal plasma.

Il nome deriva dal russo to(roidalnj) ka(mera) mak(kina) e significa “macchina (per fusione nucleare) a camera toroidale”, dove il toro in geometria è una figura tridimensionale a forma di ciambella.

C’è, subito, da dire che la fusione termo-nucleare si basa su un concetto diametralmente opposto alla fissione nucleare.
La fissione nucleare prevede la riduzione, ovvero la rottura, di un nucleo in frammenti di minore dimensioni con emissione di una enorme quantità di energia e radioattività.
La fusione termo nucleare è al contrario una reazione che prevede la fusione di nuclei di due o più atomi emettendo più energia di quanta ne richieda il processo di innesto della fusione.

Il funzionamento di tale macchina simula il meccanismo che avviene nel Sole e le altre stelle. A causa di ciò, sembrava non avere applicazioni pratiche per le altissime temperature generate dal plasma. Nessun materiale avrebbe resistito.

Ricordo che la maggior parte dei plasmi generati in natura sono caratterizzati da alte temperature elettriche: si va dai quasi 30.000 gradi di un fulmine, fino ai milioni di gradi della corona solare e degli esperimenti di fusione termonucleare negli acceleratori.

Ma l’idea geniale degli scienziati (russi) fu quella di confinare il plasma entro una struttura a ciambella (toridale) impedendo il contatto del plasma con il suo contenitore con un elevato campo magnetico.

Perché ne voglio parlare?
La fusione termonucleare controllata è oggi considerata da tutti i paesi più industrializzati una opzione molto concreta come fonte di energia sicura, compatibile con l’ambiente e praticamente inesauribile.
Le attività di ricerca per la fusione vengono eseguite nel nostro paese da alcuni decenni, contribuendo al raggiungimento degli obiettivi e benefici previsti dalla fusione nel lungo periodo. Il programma fusione è coordinato a livello europeo dall’Euratom e vede la partecipazione di tutti i paesi UE più la Svizzera.
Le attività italiane, sono condotte dall’ENEA, che ha la funzione di coordinatore, dal CNR e da molte Università italiane. (fonte: Enea)

Come funziona? Come si fa a generare un plasma?
I fisici teorici, gli ingegneri elettrotecnici e nucleari lo sanno benissimo. Ora lo saprete anche voi.
Si sfruttano le proprietà del campo magnetico ed elettrico.

Il principio fisico si basa sulla cosiddetta Forza di Lorenz.
E’ la forza che si sviluppa su un oggetto carico elettricamente sottoposto ad un campo elettromagnetico.
In pratica è la forza che fa muovere una carica elettrica in un campo magnetico e/o un campo elettrico.

Dove: q=particella carica, v=velocità delle particella, E=campo elettrico, B=campo magnetico.
Più precisamente, la carica si muove in direzione del campo elettrico ad esso proporzionale, ovvero più alto è il campo elettrico più alta è la velocità della particella.

A che serve il campo magnetico?
Il campo magnetico è perpendicolare al campo elettrico. Il suo effetto contribuisce solamente sulla direzione del moto della particella carica deviandola dal suo verso.

Infatti, poiché la forza applicata ad uno spostamento genera un lavoro, la forza lavoro risulta nulla in quanto l’angolo è di 90° (L=F*s*cosα).
In altre parole serve solo con la sua intensità a deviare la direzione della particella.

Fin qui ci siete? Più o meno.

Passiamo al principio di funzionamento.
Il plasma è un gas estremamente carico elettricamente. E’ considerato il quarto stato della materia.

Dentro una camera toroidale (verde in figura) vi è inizialmente un gas che deve essere portato ad altissime temperature.

Un gas, che ha la proprietà ad ionizzarsi a temperature ordinarie, si ionizza completamente, ovvero gli atomi perdono completamente i propri elettroni, ad alte temperature.
Un gas in condizioni di totale ionizzazione si chiama plasma.

Bene, chiarito questo concetto, vediamo cosa ci vuole per far salire la temperatura del gas.
Si usa un sistema che ricorre a giganteschi campi magnetici che avvolgono la ciambella (contenitore di vuoto toroidale). Sono i magneti centrali che vedete in figura.

Va detto che la temperatura a cui deve essere portato un dato plasma con una ‘compressione’ magnetica non è casuale, è chiamata temperatura di ignizione. E va applicata per un tempo di compressione minimo necessario a raggiungere la temperatura in cui iniziano a fondere i nuclei del plasma medesimo e non superiore per evitare pericolosi innalzamenti incontrollati della temperatura.

L’elevato campo magnetico ha anche la funzione di portare i nuclei del gas sempre più vicini per farli fondere più facilmente.
A questo punto vi ricordate la forza di Lorenz di cui abbiamo parlato precedentemente? Ebbene una particella carica immersa in un campo magnetico che avvolge la ciambella toroidale seguirà una traiettoria elicoidale (detta anche moto di ciclotrone) secondo l’equazione di Larmor, che definisce il raggio di Larmor.

dove “v” è la velocità della particella perpendicolare al campo magnetico, “m” è la sua massa, “B” è l’intensità del campo magnetico, “Ze” è la carica dello ione (per l’elettrone Z=1, ed “e” è negativa).

Questo significa che una particella (elettrone o ione che sia) non si può allontanare più di tanto dalla linea di campo. Quindi un campo magnetico può confinare in modo efficace un plasma. Il moto delle particelle è in qualche modo vincolato dalla dinamica delle linee di campo magnetico percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro.

Ovviamente le cose non sono così semplici come trattato, ma tanto basta per avere una chiara idea.
Un’altra semplice idea ora ce la facciamo nel descrivere come il plasma viene riscaldato.

Accensione del gas.
Va detto che in termini schematici il Tokamak è un trasformatore, il cui primario è rappresentato dal magnete centrale (statore) e il toro il secondario.
Non è importante che capiate il significato, quello che conta è che la corrente fatta circolare nelle spire dello statore crea un campo magnetico che a sua volta genera un forza (forza elettromotrice) sul gas.

Gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri. Si genera così il plasma.

Nel plasma che è un conduttore elettrico si genera una corrente indotta.
A questo punto la corrente elettrica indotta, per effetto Joule, riscalda il plasma a temperature anche molto elevate (qualche milione di gradi).

Nel frattempo nelle bobine  del campo toroidale viene immessa corrente per tenere confinato il plasma.

Magnete del campo verticale.
Ai più attenti di voi non sarà sfuggito, vedendo le figure, di notare dei magneti chiamati “di campo verticale”.
Succede che il campo magnetico creato in questo modo dal magnete centrale (statore) è più debole all’esterno che all’interno del plasma; senza correzioni il plasma si sposterebbe quindi verso l’esterno del toro.
Le bobine chiamate anche “bobine di campo poloidali” dei magneti verticali sono utilizzati per la correzione. Esse generano una corrente secondaria nel plasma, simile ad un trasformatore; questo campo magnetico secondario completa l’inclusione del plasma.
Tuttavia, la corrente nella bobina di campo poloidale non può prendere qualsiasi intensità e non può crescere indefinitamente. Le lunghezze di impulso previste per alcune macchine come “ITER” hanno la durata di alcuni minuti fino ad un’ora.

Conclusione:
Bene, io ho finito con la velleitaria speranza che abbiate capito.
Ora una domanda: c’è la realistica speranza che questa macchina possa essere utilizzata per la produzione di energia e di metterla in rete?

Dalla spiegazione (quasi) teorica che ho fornito sembrerebbe tutto facile. Tuttavia il percorso verso la fusione nucleare è solo agli inizi, anche se le ricerche vanno avanti da decenni, perché le difficoltà tecniche sono molte e di enorme portata.
A questo va aggiunto che molti paesi avanzano in ordine sparso. Si confida ora sulla macchina: “International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)” il più avanzato progetto internazinale di ricerca sulla fusione nucleare, in costruzine nel sud della Francia.
Gli ottimisti puntano attorno agli anni 2040. Ma c’è chi addirittura spera che tale macchina possa sostituirsi ai generatori nucleari di quarta generazione basati sulla fissione.
Saranno i prossimi decenni e le considerazioni di ordine politico a decidere.

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