Reazioni di fusione nelle stelle

Confinamento magnetico

Nel confinamento magnetico le particelle e l’energia di un plasma caldo sono tenute in posizione usando campi magnetici. Una particella carica in un campo magnetico sperimenta una forza di Lorentz che è proporzionale al prodotto della velocità della particella e del campo magnetico. Questa forza fa sì che gli elettroni e gli ioni si muovano a spirale intorno alla direzione della linea di forza magnetica, confinando così le particelle. Quando la topologia del campo magnetico produce un pozzo magnetico efficace e l’equilibrio di pressione tra il plasma e il campo è stabile, il plasma può essere confinato lontano dai confini del materiale. Il calore e le particelle sono trasportati sia lungo che attraverso il campo, ma le perdite di energia possono essere evitate in due modi. Il primo è quello di aumentare la forza del campo magnetico in due punti lungo la linea di campo. Le particelle cariche contenute tra questi punti possono essere fatte riflettere avanti e indietro, un effetto chiamato mirroring magnetico. In un sistema fondamentalmente diritto con una regione di campo magnetico intensificato ad ogni estremità, le particelle possono ancora sfuggire attraverso le estremità a causa della dispersione tra le particelle mentre si avvicinano ai punti di rispecchiamento. Tali perdite alle estremità possono essere evitate del tutto creando un campo magnetico nella topologia di un toro (cioè, la configurazione di una ciambella o di una camera d’aria).

I magneti esterni possono essere disposti per creare una topologia di campo magnetico per un confinamento stabile del plasma, o possono essere usati insieme a campi magnetici generati da correnti indotte a fluire nel plasma stesso. Alla fine degli anni ’60, l’Unione Sovietica ha fatto un grande passo avanti nello sfruttamento delle reazioni di fusione per la produzione pratica di energia. Gli scienziati sovietici hanno raggiunto un’alta temperatura del plasma (circa 3.000.000 K), insieme ad altri parametri fisici, in una macchina chiamata tokamak (vedi figura). Un tokamak è un sistema di confinamento magnetico toroidale in cui il plasma è mantenuto stabile sia da un campo magnetico generato esternamente, a forma di ciambella, sia da correnti elettriche che scorrono all’interno del plasma. Dalla fine degli anni ’60 il tokamak è stato il principale oggetto della ricerca sulla fusione magnetica in tutto il mondo, sebbene siano stati perseguiti anche altri approcci come lo stellarator, il compact torus e il reversed field pinch (RFP). In questi approcci, le linee di campo magnetico seguono un percorso elicoidale, o a vite, mentre le linee di forza magnetica procedono intorno al toro. Nel tokamak il passo dell’elica è debole, quindi le linee di campo si avvolgono liberamente intorno alla direzione poloidale (attraverso il foro centrale) del toro. Al contrario, le linee di campo RFP si avvolgono molto più strettamente, avvolgendosi molte volte nella direzione poloidale prima di completare un ciclo nella direzione toroidale (attorno al foro centrale).

Il plasma confinato magneticamente deve essere riscaldato a temperature alle quali la fusione nucleare è vigorosa, tipicamente maggiori di 75.000.000 K (equivalente ad un’energia di 4.400 eV). Questo può essere ottenuto accoppiando onde a radiofrequenza o microonde alle particelle di plasma, iniettando fasci energetici di atomi neutri che si ionizzano e riscaldano il plasma, comprimendo magneticamente il plasma, o attraverso il riscaldamento ohmico (noto anche come riscaldamento Joule) che si verifica quando una corrente elettrica passa attraverso il plasma.

Utilizzando il concetto di tokamak, scienziati e ingegneri negli Stati Uniti, in Europa e in Giappone hanno iniziato a metà degli anni ’80 a utilizzare grandi dispositivi sperimentali tokamak per ottenere condizioni di temperatura, densità e confinamento dell’energia che ora corrispondono a quelle necessarie per la generazione pratica di energia da fusione. Le macchine impiegate per raggiungere questi risultati includono il Joint European Torus (JET) dell’Unione Europea, il giapponese Tokamak-60 (JT-60) e, fino al 1997, il Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR) negli Stati Uniti. Infatti, sia nel TFTR che nei dispositivi JET, gli esperimenti con deuterio e trizio hanno prodotto più di 10 megawatt di potenza di fusione e condizioni di pareggio energetico nel plasma stesso. Condizioni di plasma che si avvicinano a quelle raggiunte nei tokamak sono state raggiunte anche in grandi macchine stellarator in Germania e Giappone durante gli anni ’90.