Wendelstein 7-X: proseguono gli studi sul reattore nucleare del futuro

Wendelstein 7-X è da poco riuscito a produrre il primo plasma ad idrogeno, evento di grande importanza che darà inizio ad una serie di studi per capire se questa configurazione è fattibile per essere impiegata in una centrale nucleare.

Wendelstein 7-X: proseguono gli studi sul reattore nucleare del futuro
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Wendelstein 7-X è un reattore nucleare a fusione di recente costruzione in Germania, nel laboratorio Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP). I lavori sono terminati a metà 2014 ed hanno richiesto ingenti somme di denaro e tante ore di lavoro per completare il progetto. Wendelstein X-7 è stato acceso da poco, nel dicembre 2015, e prima di tale avvenimento si sono susseguiti una serie di rigidi controlli che ne hanno certificato il corretto funzionamento. I reattori a fusione nucleare sono macchinari che nascono con lo scopo di studiare ed analizzare la produzione di plasmi che possano testimoniare la fattibilità di una fusione termonucleare controllata. In questo caso, essa avviene regolando le caratteristiche del campo magnetico prodotte dalla macchina a quelle di uno specifico plasma, e non viceversa.
Wendelstein 7-X è da poco riuscito a produrre il primo plasma ad idrogeno, evento di grande importanza che darà inizio ad una serie di studi per capire se questa configurazione è fattibile per essere impiegata in una centrale nucleare.

L'esperimento del Wendelstein 7-X

Sin dalla sua accensione, il 10 dicembre 2015, lo stellarator tedesco è stato in grado di produrre ben trecento emissioni di elio, un gas raro. Queste sono servite anzitutto per purificare e pulire il recipiente che avrebbe dovuto contenere l'eventuale plasma generato. Più pulita è la superficie del contenitore e più la temperatura del plasma è capace di salire, fino a circa sei milioni di gradi centigradi. Dopodiché, i tecnici hanno approntato la strumentazione per riscaldare il plasma, quella di monitoraggio e hanno cominciato l'operazione. Stiamo parlando di una strumentazione molto complessa, con apparecchiature come spettrometri a raggi X, interferometri e laser a diffusione. "Questo ha reso possibile procedere al passaggio successivo. Stiamo cambiando il plasma ad elio in plasma ad idrogeno, cioè quello che vogliamo studiare" ha affermato il dottor Thomas Klinger, professore capo del progetto. Il primo plasma ad idrogeno è stato prodotto durante il mese di febbraio, ed è stato un processo che è avvenuto sotto la meraviglia di numerosi ospiti presenti all'evento, fra politici di spicco e scienziati di fama internazionale. Fra essi anche la Cancelliera tedesca Angela Merkel, che ha premuto il bottone di avviamento del sistema, riscaldando l'idrogeno con delle microonde da 2 Megawatt, facendolo mutare in plasma, estremamente caldo ed a bassa densità. Ciò ha comportato la separazione degli elettroni del nucleo degli atomi. Le particelle caricate negativamente hanno quindi iniziato a levitare, senza mai toccare le mura della gabbia magnetica in cui erano confinate. "Con una temperatura di ottanta milioni di gradi e un tempo di vita di 0,25 secondi, il plasma ad idrogeno prodotto da questo stellarator ha completamente soddisfatto le nostre aspettative" ha fatto sapere Hans-Stephan Bosch, dottore appartenente alla divisione responsabile per le operazioni del Weldenstein 7-X. I filamenti per le spirali elettromagnetiche - necessarie a tenere il plasma lontano dalle pareti - sono stati incapsulati in un guscio di metallo, in cui si è creato un ambiente sottovuoto. Al suo interno, i filamenti stessi sono stati raffreddati - usando elio liquido - fino a fare ottenere al materiale delle proprietà superconduttive.
Questa fase durerà fino alla fine di marzo, dopodiché il recipiente contenente tutto il plasma prodotto verrà aperto al fine di piazzare blocchi di carbonio per proteggere la superficie del contenitore stesso, oltre al cosiddetto "divertor", che si occuperà di rimuovere le impurità del plasma. "Questa struttura ci ha permesso di ottenere tanta potenza per il riscaldamento", ha comunicato il professor Klinger.

Il perché dell'esperimento

L'obiettivo di questa ricerca sulla fusione nucleare è quello di trovare il modo di produrre energia pulita, rispettando l'ambiente. Un impianto di questo tipo genera l'energia tramite fusione nucleare, che è lo stesso utilizzato dal Sole e dalle stelle. La reazione avviene a temperature molto alte, più di cento milioni di gradi centigradi, e il plasma, come abbiamo detto, non deve assolutamente entrare in contatto con le pareti del contenitore che lo racchiude. Questo accade grazie ai campi magnetici, che fanno anche fluttuare il plasma stesso. Per la camera magnetica si stanno in realtà ancora studiando due differenti approcci, cioè quello con uno stellarator e quello con un tokamak. Quest'ultimo utilizza una corrente elettrica per mettere il fluido - il plasma, in questo caso - in rotazione, mentre il Weldenstein 7-X mette in movimento lo stesso plasma a causa della sua peculiare struttura, senza l'ausilio di energia esterna. Nel primo caso, il meccanismo è di concezione più vecchia ed è quindi stato ampiamente testato e sperimentato, fatto che garantisce un indice di affidabilità più elevato ai tokamak, soprattutto quando tali reattori vengono impiegati come generatori energetici. Gli ingegneri e gli scienziati dell'IPP vogliono però dimostrare che anche uno stellarator può assolvere questo compito, e per la prima volta proveranno a contrastare l'indiscussa efficienza dei tokamak nel campo. Il vantaggio degli stellarator è che possono operare in modalità continua, mentre i tokamak devono limitarsi a brevi lassi di tempo alla volta.

Wendelstein 7-X L’assemblaggio del Weldenstein 7-X è cominciato ad aprile 2005 e la sua struttura è frutto di complessi calcoli, che sono stati compiuti sulla gabbia magnetica (che è il componente più critico) piuttosto che sui modi di riscaldare il plasma. L’investimento per costruire il reattore è stato di ben 370 milioni di euro, ed è stato finanziato principalmente dell’Unione Europea. I componenti sono stati tutti costruiti in Europa, merito di alcuni centri specializzati che hanno impiegato anni di ricerca e sviluppo. Nello specifico, la struttura è stata curata dall’Helmholtz Association of German Research Centres, il Karlsruhe Institute of Technology è stato invece responsabile dei meccanismi per riscaldare il plasma, lo Jülich Research Centre ha costruito diversi strumenti per la misurazione e ha prodotto le elaborate connessioni per le spirali magnetiche fatte da superconduttori. Tutte le installazioni sono state effettuate dalla Polish Academy of Science di Cracovia, mentre gli American Fusion Research Institutes a Princeton, Oak Ridge e Los Alamos hanno contribuito al Wendelstein 7-X fornendo materiale ausiliario e strumentazione per le misure. Il reattore opererà per ancora per molto tempo, e cercherà di studiare il plasma prodotto per far sì che esso possa essere utilizzato per migliorare la qualità degli impianti nucleari di prossima generazione.