Ricerca Avanzata al PPPL: Il Nuovo Stellarator e la Fisica del Plasma
Un’Innovazione nel Campo della Fusione: Lo Stellarator con Magnetismo Permanente
Al Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), gli scienziati hanno raggiunto una pietra miliare costruendo il primo esperimento di fusione di tipo stellarator che si avvale di magneti permanenti. Questa nuova progettazione potrebbe significare la creazione di dispositivi futuri più economici e l’apertura a testare concetti inediti per centrali elettriche a fusione. Il plasma, che è lo stato elettricamente carico della materia, viene confinato in questi dispositivi al fine di sfruttare il processo di fusione che avviene nel sole e nelle stelle.
Un Passo Avanti nel Design di Stellarator: Il Contributo di PPPL
Il PPPL, che opera sotto l’egida del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, ha unito la sua expertise in ingegneria, calcolo e fisica teorica per ideare questo nuovo stellarator. Questa macchina, dalla forma complessa, utilizza i magneti per confinare il plasma, sfruttando così il processo di fusione per produrre energia pulita. Tony Qian, studente del Princeton Program in Plasma Physics presso PPPL, ha sottolineato l’innovazione apportata dall’uso dei magneti permanenti nella costruzione dello stellarator e l’efficacia di questa tecnica per costruire rapidamente nuovi dispositivi di confinamento del plasma.
Componenti Innovativi e Accessibili
A differenza dei tradizionali stellarator che si affidano a elettromagneti complessi, il MUSE utilizza magneti permanenti, simili a quelli che si attaccano ai frigoriferi, eliminando la necessità di correnti elettriche per generare campi magnetici. Questi magneti possono essere ordinati da fornitori industriali e inseriti in una scocca stampata in 3D, semplificando la costruzione e riducendo i costi. Michael Zarnstorff, fisico senior presso PPPL e capo ricercatore del progetto, ha rimarcato il vantaggio di poter acquistare parti di alta precisione invece di doverle produrre internamente.
Da un’Idea Innovativa alla Pratica
L’idea che i magneti permanenti potessero essere utilizzati per creare uno stellarator è nata nel 2014 da Zarnstorff, il quale ha riconosciuto la capacità dei magneti permanenti di terre rare di generare e mantenere i campi necessari a confinare il plasma per le reazioni di fusione.
Stellarator: La Storia e il Futuro
Inventati più di 70 anni fa da Lyman Spitzer, fondatore del PPPL, gli stellarator rappresentano uno dei due concetti principali per la realizzazione di impianti di fusione. A differenza dei tokamak, che utilizzano campi magnetici generati da correnti elettriche e tendono a creare instabilità, gli stellarator possono operare senza tali correnti, consentendo funzionamenti prolungati. Tuttavia, la complessità nella costruzione dei loro magneti ha limitato la loro applicazione pratica fino a ora.
Con MUSE, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile far funzionare uno stellarator con magneti semplici. Amelia Chambliss, studentessa laureata in fisica applicata e matematica presso la Columbia University, ha contribuito alla progettazione di MUSE e ha evidenziato come l’utilizzo di numerosi magneti discreti semplifica notevolmente la sfida ingegneristica.
Teoria e Pratica: La Quasisimmetria di MUSE
Il MUSE ha mostrato un livello di quasisimmetria superiore a qualsiasi altro stellarator precedente. È il primo dispositivo progettato specificamente per avere un tipo di quasisimmetria chiamato quasiassisimmetria, una teoria formulata dal fisico Allen Boozer del PPPL negli anni ’80. Zarnstorff ha sottolineato come l’ottimizzazione di questa proprietà in MUSE sia notevolmente superiore rispetto ad altri dispositivi esistenti.
I Prossimi Passi della Ricerca al PPPL
Il team del PPPL ha in programma una serie di esperimenti per esplorare l’esatta natura della quasisimmetria di MUSE e capire quanto efficacemente il dispositivo previene la dispersione delle particelle calde dal nucleo del plasma, una condizione essenziale per ottimizzare le reazioni di fusione.
Un Modello di Innovazione
MUSE rappresenta un’espressione di creatività e soluzione a problemi complessi nel campo della fisica del plasma. Chambliss ha enfatizzato l’importanza di un approccio aperto e innovativo per affrontare le sfide storiche nello sviluppo degli stellarator. La flessibilità e la creatività saranno cruciale per il progresso futuro nel campo.
Il Team dietro MUSE
Il progetto MUSE ha visto il contributo di diverse figure professionali del PPPL, tra cui l’ingegnere capo Robert Ellis, il fisico Michael Zarnstorff, lo studente laureato Tony Qian e altri membri del team. Il lavoro è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla National Science Foundation.
Che cosa è un Tokamak ?
Un tokamak è un dispositivo progettato per contenere e controllare il plasma a caldo, che è un componente essenziale per realizzare la fusione nucleare. Il termine “tokamak” è un acronimo russo che sta per “toroidalnaya kamera s magnitnymi katushkami”, che si traduce in “camera toroidale con bobine magnetiche”.
I tokamak furono sviluppati negli anni ’50 da fisici sovietici, e da allora sono divenuti uno dei design più studiati e utilizzati per i reattori a fusione. Sono progettati con una forma toroidale, simile a una ciambella, dove il plasma viene riscaldato a temperature estreme, spesso superiori a quelle del nucleo del sole, per permettere agli atomi di idrogeno di fondersi formando elio, rilasciando così una grande quantità di energia.
Il plasma all’interno del tokamak è controllato da potenti campi magnetici generati da bobine di elettromagneti situati attorno alla camera toroidale e da una corrente elettrica che attraversa il plasma stesso. Il campo magnetico deve essere sufficientemente forte da mantenere il plasma stabile e confinato lontano dalle pareti del contenitore, poiché il contatto del plasma caldo con qualsiasi materiale solido lo farebbe immediatamente raffreddare e interromperebbe la reazione di fusione.
Il più grande e avanzato tokamak al mondo attualmente in costruzione è ITER, situato nel sud della Francia. ITER è un progetto internazionale volto a dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione come fonte di energia pulita e praticamente inesauribile.
