Un tokamak che rimane stabile pur superando 10 volte il limite di Greenwald. Per chi non conosce la fisica, si tratta di un traguardo davvero rivoluzionario per la fusione nucleare, soprattutto per un dispositivo come il tokamak, su cui molti centri di ricerca (e non solo) stanno puntando il futuro di questa tecnologia.
Fusione nucleare, cos’è il limite di Greenwald
Intanto partiamo dalle basi, e spieghiamo per bene cosa sia il limite di Greenwald nel campo della fusione nucleare.
Circa 40 anni fa, il fisico Martin Greenwald identificò un limite di densità oltre il quale i plasmi nei tokamak diventano instabili, noto come il “limite di Greenwald”. Si tratta in poche parole di una metrica che confronta la densità del plasma con il prodotto della corrente del plasma e la dimensione del plasma stesso, in modo da confrontare diversi dispositivi e condizioni operative.
Per chi non li conoscesse, i tokamak sono considerati uno dei principali candidati per la costruzione di reattori a fusione nucleare che generano energia nello stesso modo del nostro Sole. Purtroppo sulla Terra non abbiamo a disposizione né la forza gravitazionale, né il calore né le pressioni estreme del Sole, pertanto lo scoglio principale è riuscire a stabilizzare la reazione per tutto il tempo necessario a produrre l’energia.
Da qui la tecnologia del tokamak, che prevede l’utilizzo di un plasma ad altissima temperatura (centinaia di milioni di gradi Celsius) confinato in un complesso sistema di campi magnetici. Questo plasma, composto principalmente da idrogeno, deve essere isolato dalle pareti del reattore per evitare il raffreddamento e consentire le reazioni di fusione nucleare arrivando a un certo livello di densità, che però deve rimanere stabile se supera questo limite.
Fino ad oggi, questo limite è stato superato solo in pochissimi casi, rendendo la recente scoperta dell’Università del Wisconsin un risultato notevole. Anche perché rimanere stabile pur andando ben oltre il limite di Greenwald è cruciale non solo per aumentare la produzione di energia da fusione, ma anche per evitare danni ai macchinari.
Dagli Stati Uniti il nuovo record storico
Come riporta lo studio dell’Università del Wisconsin-Madison, pubblicato su Physical Review Letters, gli scienziati sono riusciti a far superare al loro tokamak ben dieci volte il limite di densità stabilito da Greenwald tramite i vari esperimenti condotti nel Madison Symmetric Torus (MST), dove è stato possibile raggiungere tale densità di plasma grazie a una parete conduttiva spessa e stabilizzante, e a un’alimentazione ad alta tensione per la corrente del plasma.
Gli esperimenti condotti presso l’Università del Wisconsin si sono concentrati sull’aumento della densità del plasma, cercando di destabilizzare il sistema immettendo quantità crescenti di gas. Per mantenere una corrente costante di 50000 ampere, l’alimentazione è stata regolata per fornire la tensione necessaria, anche con l’aumento della densità del plasma e della resistenza.
I risultati ottenuti potrebbero influenzare la progettazione dei futuri reattori tokamak su scala industriale, che probabilmente dovranno operare vicino o oltre il limite di Greenwald per raggiungere la produzione di energia netta positiva. Comprendere meglio le cause del limite di densità e la fisica dietro il superamento di questo limite potrebbe essere la chiave per sviluppare reattori a fusione più efficienti.
Nonostante i risultati promettenti, i ricercatori sottolineano che il plasma studiato è a basso campo magnetico e a bassa temperatura, caratteristiche non adatte alla produzione di energia da fusione. Tuttavia, il lavoro rappresenta un passo iniziale importante verso la comprensione e il controllo delle alte densità di plasma necessarie per la fusione.
Per saperne di più su questo studio, vi consigliamo la lettura del paper integrale pubblicato su Physical Review Letters.
N. C. Hurst, B. E. Chapman, J. S. Sarff, A. F. Almagri, K. J. McCollam, D. J. Den Hartog, J. B. Flahavan, e C. B. Forest, Tokamak Plasmas with Density up to 10 Times the Greenwald Limit, Physical Review Letters (2024), DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.055101.
