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The technology to control nuclear fusion is the next milestone of nuclear engineering, and it can lead to a number of useful applications.
First of all it will be possible to produce a massive quantity of electric energy while the world is getting hungrier and hungrier of electricity. Moreover since the feedstock for nuclear fusion is hydrogen and the products are low density elements like helium, it will be possible to produce power at relatively low footprint; that’s because hydrogen can be extracted from water or air while nowadays nuclear plants use rare and radioactive elements that need to be imported mainly from Africa.

Because of those (and other) reason the scientific community has long been trying to tackle the fusion problem: how to control the damn plasma.
In fact to mash plasma particles one into the other it’s necessary to heat up the plasma to 150 MK…yes you got it, 150 millions kelvin, which is roughly 10 times hotter that the Sun’s nucleus. But the challenging part is not to heat up plasma, but to confine it, as you may imagine there is no material able to withstand such temperature (at least not in solid or liquid phase) so the only one possibility is to use magnetic field confinement.
Plasma particles are charged because in that state of matter all the electrons are taken apart from the atom, so every particle has a net charged that can be used to confine it through magnetic field. This approach leads to the development of the famous Tokamak, a doughnut shaped rector where plasma is confined by a complex arrangement of solenoids and magnet.
The problem of magnetic confinement is that plasma is very energetic so confining it it’s like trying to squeeze a balloon with your hands: it will pop-out between your fingers. And much of the last 60-years fusion research has focused on that.

Nowadays the biggest functioning tokamak is JET (Joint European Torus) in Culham, near Oxford, and it set a world record in 1997 generating 16 MW for a few seconds (which is just a bit less then the energy consumed to heat up and hold the plasma).
But a huge international project is on it’s way: ITER (International Fusion Reactor) will be built in France; this facility will be 10 stories tall, weight 3 times as mush as the Eiffel tower and it will cost at least $18 billions or more. The plan is to produce more energy that what’s needed to sustain the plasma, so to develop a standard for the construction of future fusion power plants; the first run is planned in 2027.

But in 1990, while most of the scientific community focused on the standard tokamak, a group of researchers came up with a new concept and they built the first “spherical” tokamak. A more compact shape leads to a better control of both temperature and confinement, so our aim is to reduce cost and size of potential tokamak power plants.
The first spherical tokamak smashed all records at that time generating a far more stable plasma than the conventional tokamak and two other bigger s-tokamak has been built in 1999. Now both of these machines are being upgraded with stronger magnets so to reach the same size of JET.
One of those two experimental plants, MAST, will focus on finding an efficent way to harvest the high-energy neutrons produced by the fusion reaction. In fact while the plasma-state particles hit and fuse each other an high quantity of neutrons is produced, since neutrons are not charged they will escape the magnetic confinement. So out of the reactor there will be a neutron-capturing material that will heat up very fast (remember that the neutrons comes out from a 150 MK plasma) heating water vapor that will feed one or more vapor turbine, just like in every other thermoelectric plant.

tokamak

But generating energy is not the only one thing to look at, the whole plant has to be designed and better materials have to be developed so to lower the cost of the machine itself and to enhance efficiency.
Two researchers from the Culham plant decided to run a spin-off in 2009, opening a company with the aim to beat ITER achievements in time using spherical tokamaks and high-temperature superconductors. Indeed to produce high-strength magnetic field a lot of electric current is required and to lower the heat production and power consumption superconductors are used. The problem is that at the state of the art only low temperature superconductors are used, which require a massive amount of liquid nitrogen as cooling agent rising up the operating cost.
The aim of this company, Tokamak Energy, is to develop and use high temperature superconductors to build smaller and cheaper reactors and to reach the first net gain energy run before ITER. But that is a very hard task, and as written in Science Magazine today:

Company CEO David Kingham thinks that will be enough to beat ITER to the prize: a net gain of energy. “We want to get fusion gain in 5 years. That’s the challenge,” he says.

“It’s a high-risk approach,” Wilson says. “They’re buying their lottery ticket. If they win, it’ll be great. If they don’t, they’ll likely disappear. Even if it doesn’t work, we’ll learn from it; it will accelerate the fusion program.”

It’s a spirit familiar to everyone trying to reshape the future of fusion.

The full article is freely available at: http://news.sciencemag.org/physics/2015/05/feature-new-shape-fusion


Sviluppare la tecnologia per controllare la fusione nucleare è la prossima pietra miliare dell’ingegneria nucleare; infatti anche se da decenni ormai l’uomo è in grado di innescare la stessa reazione nucleare che avviene nelle stelle non siamo ancora in grado di controllare e di estrarne qualcosa di più unite di una grossa esplosione.
Il controllo delle reazioni di fusione porta con sé numerosi vantaggi, in primis la produzione di una grossa quantità di energia elettrica in un mondo sempre più affamato di energia.
Poi va anche considerato che l’impatto ambientale di una centrale a fusione è minore rispetto a quelle a fissione o combustibile fossile perché l’idrogeno, che fa da “benzina”, è facilmente reperibile da acqua, aria o altri composti chimici senza bisogno di trasporti intercontinentali, come per il petrolio o ancor più l’uranio che viene principalmente dall’Africa. Inoltre le sostanze di scarto (elio principalmente) non sono certo radioattive come il torio e le altre scorie delle centrali a scissione.

Dati questi vantaggi è ovvio che la spinta allo sviluppo di queste tecnologie sia molto forte, tuttavia sebbene la prima fusione sia avvenuta decenni fa (la famosa bomba H) non siamo ancora in grado di gestire efficacemente una fusione controllata, ma forse siamo a pochi decenni dalla rivoluzione nucleare.
Le prime fusioni controllate sono già avvenute, negli anni ’90, e in particolare ha fatto la storia la fusione presso il JET (Joint European Toron) del 1997 dove pre la prima volta nella storia è stata sfruttato un processo di fusione per una manciata di secondi producendo 16 MW, ossia poco meno dell’energia necessaria per tenere in funzionamento la macchina. Tale laboratorio si trova a Culham, vicino a Oxford, ed è tuttora operativo.

Infatti la vera sfida della fusione non è tanto il principio fisico in sé, ma il reattore necessario a contenere l’idrogeno in fusione. Infatti per attivare i processi di fusione nucleare è necessario prima portare il gas in uno stato di plasma, ossia a una temperatura tale per cui si ionizza completamente, e poi surriscaldarlo fino a fornire un’energia cinetica sufficiente da far urtare i nuclei fra loro.
Questo potrebbe non sembrare molto impressionante per chi non ha una base di chimica o fisica, ma sicuramente fa impressione sapere che per fare ciò è necessario mantenere il plasma a una temperature di 150 MK…si avete letto bene, ho scritto 150 milioni di kelvin, più o meno 10 volte la temperatura del nucleo del Sole.
È ovvio  questo punto che qualsiasi materiale esistente non sia in grado di sostenere una tale temperatura senza vaporizzarsi all’istante quindi è necessario mantenere confinato il plasma con altri metodi, è quello da sempre prescelto è stato il campo magnetico.

Il reattore delle meraviglie si chiama Tokamak e consiste in un tiroide (una ciambella) completamente avvolto da solenoidi e magneti che hanno il compito di mantenere confinato il plasma lontano dalle pareti mantenendolo in rotazione dentro il reattore. Tuttavia non è un compito semplice, infatti il plasma è particolarmente energetico quindi cercare di confinarlo è come tentare di schiacciare un palloncino con le mani: si insinua fra le dita e diventa praticamente impossibile contenerlo sul serio.
Proprio per queste difficoltà gli ultimi 60 anni di ricerca si sono concentrati nel perfezionamento del tokamak e dei metodi di confinamento, ed ad oggi sembra possibile potercela fare; certo una certa perdita di materiale è inevitabile ma è stata ridotta a quantità accettabili.
In vista di questo grande passo è stato avviato da ormai più di un decennio l’ambizioso progetto ITER, che si completerà nella costruzione di un gigantesco tokamak, alto 10 piani e pesante come 3 torri eiffel, del costo di 18 milioni di dollari e che è in costruzione in Francia.
Questo progetto ha l’obiettivo di sfondare il record del guadagno netto di energia entro il 2027 e gettare le basi per la progettazione degli impianti per la produzione di energia elettrica da fusione nei decenni successivi.

Tuttavia, sebbene la maggior parte dei ricercatori si sia concentrato nell’affinare i metodi di confinamento, c’è chi ritiene che un cambio di geometria sia più efficace.
Un gruppo di studiosi infatti nel 1990 ha presentato un primo prototipo, START, di un tokamak sferico piuttosto che toroidale, ritenendo che una geometria più compatta permetta di mantenere meglio temperatura e confinamento del plasma. In effetti questo reattore si è dimostrato più efficiente rispetto alle sue controparti tokamak, ma solo a fine secolo, dopo i risultati del JET, che è stata avviata e realizzata la costruzione di due altri tokamak sferici. Tali reattori sono ora in fase di manutenzione e potenziamento per portarli allo stesso livello del JET e avere risultati meglio confrontabili.

tokamakL’obiettivo di questi due tokamak in potenziamento è importante, uno infatti si concentra sui metodi di conversione dell’energia mentre l’altro sui materiali utilizzati per la costruzione del reattore stesso.
Infatti una delle sfide è la gestione dei prodotti di fusione, infatti l’urto fra le particelle plasma genera, fra i sottoprodotti, neutroni ad altissima energia che non essendo carichi escono dal confinamento magnetico.
L’idea è di utilizzare dei materiali che facciano da recettori di questi neutroni e ne raccolgano l’energia riscaldandosi molto velocemente (si ricordi la temperatura del plasma a 150MK) e trasferiscano questo calore a del vapore surriscaldato che poi passa per delle turbine a vapore come in un qualsiasi centrale termoelettrica.

Ma il metodo di trasformazione dell’energia non è l’unica sfida da affrontare, infatti bisogna anche sviluppare dei materiali migliori per sostenere il bombardamento di neutroni e le fuoriuscite di plasma per i decenni per cui ci si aspetta che un impianto del genere funzioni.
E proprio in questo senso lavora il secondo reattore, ricevendo anche il contributo della spin-off lanciata da due ricercatori usciti proprio dal laboratorio di Culham nel 2009. Questa azienda, Tokomak Energy, lavora nel perfezionamento di superconduttori ad alta temperatura; infatti uno dei problemi del tokomak è l’enorme bisogno di energia elettrica per generare campi magnetici sufficientemente forti.
Ad oggi l’unica soluzione è utilizzare superconduttori a bassa temperatura, che tuttavia necessitano di ingenti quantità di azoto liquido per il raffreddamento e sono quindi molto costosi da mantenere operativi; l’utilizzo di superconduttori è imprescindibile quindi sviluppare delle leghe con queste proprietà a temperature più elevate avrebbe un notevole impatto sui costi di gestione. Il termine alta temperatura non vi inganni: si tratta comunque di temperature abbondantemente inferiori ai -100°C, ma molto più elevate dei -240°C necessari ai superconduttori a bassa temperatura.

La Tokamak Energy sta ora lavorando allo sviluppo parallelo di due reattori tokamak sferici con l’obiettivo di costruire reattori piccoli e a basso costo che siano appetibili dal punto di vista economico. L’obiettivo dichiarato di questa operazione è molto ambizioso: battere sul tempo il progetto ITER per il record della prima fusione controllata a guadagno di energia, per poi lancirasi nel mondo delle prime centrali elettriche a fusione nucleare.
Un obiettivo incredibilmente ambizioso, e come ricorda l’raticolo uscito oggi su Science Magazine:

L’amministratore delegato David Kingham pensa di poter battere ITER nella corsa al record: il guadagno netto di energia. “Vogliamo ottenere un guadagno di energia entro 5 anni. Questa è la sfida”, ha affermato.

“È un approccio ad alto rischio” sostiene Wilson. “È il loro biglietto della lotteria. Se vincono, sarà fantastico. Se non ce la fanno, probabilemnte scompariranno. Ma anche se non funziona, impareremo qualcosa dal loro lavoro; accelererà comunque il programma per la fusione nucleare.”

È un approccio comune a tutti coloro che tentano di trasformare il mondo della fusione nucleare.

L’intero articolo è disponibile a questo link: http://news.sciencemag.org/physics/2015/05/feature-new-shape-fusion

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