Un reattore cinese ha appena stabilito un record che sembrava impossibile
I ricercatori che lavorano sul tokamak EAST in Cina hanno dimostrato che il plasma può essere compresso ben oltre le soglie considerate finora fisicamente invalicabili. Il parametro in gioco è la densità del plasma — e questo risultato mette in discussione uno degli ostacoli più tenaci dell’intera tecnologia della fusione nucleare.
Non si tratta semplicemente di un bel primato nei registri scientifici. La scoperta potrebbe cambiare in modo radicale come verranno progettati e costruiti i futuri impianti a fusione.
Perché un’alta densità del plasma è fondamentale per la fusione
All’interno di un reattore a fusione, tutta l’attività si svolge nel plasma — un gas ionizzato a temperature di decine o persino centinaia di milioni di gradi. In questo ambiente estremo, i nuclei atomici, tipicamente isotopi dell’idrogeno, si scontrano e si fondono liberando quantità enormi di energia.
Maggiore è la densità del plasma, più frequenti sono le collisioni tra i nuclei — e più energia il reattore riesce a produrre. La logica sembra semplice: aumenta la densità e il problema è risolto. Ma per decenni i fisici hanno continuato a imbattersi in un muro molto concreto.
Superata una certa soglia, il plasma nei tokamak iniziava a comportarsi come una caldaia fuori controllo: le oscillazioni si amplificavano, l’energia andava perduta e in alcuni casi l’intera scarica collassava completamente. Anziché aumentare la densità, la soluzione diventò costruire macchine sempre più grandi, che compensassero con il volume e con tempi di confinamento più lunghi.
È proprio questa una delle ragioni per cui ITER, in Europa, ha dimensioni colossali. Quando la densità non poteva essere aumentata all’infinito, bisognava prolungare la durata del plasma e ampliare il volume — una strategia che si traduce in progetti da centinaia di miliardi con tempi di realizzazione di decenni.
EAST — il reattore che ha scoperto una nuova modalità operativa
I risultati rivoluzionari sono stati ottenuti nel tokamak EAST, operato nella città cinese di Hefei. Si tratta di uno degli impianti più avanzati al mondo del suo genere e funge da laboratorio di test per le tecnologie di fusione del futuro.
Il gruppo di ricerca ha raggiunto densità del plasma circa dal trenta al cinquantacinque percento superiori alla soglia normalmente considerata il limite pratico in condizioni analoghe. La cosa più sorprendente è che le tipiche instabilità distruttive non si sono mai manifestate. Il plasma è rimasto sotto controllo.
Per la comunità scientifica, si tratta di un segnale inequivocabile: il quadro finora accettato è incompleto. Quello che veniva descritto come un limite di densità universale si è rivelato in larga misura il risultato del modo specifico in cui la scarica viene avviata e gestita — non una legge di natura assoluta.
L’esperimento si è ispirato anche a metodi derivati dagli stellarator — un tipo alternativo di reattore a fusione con un campo magnetico più complesso. EAST è rimasto un tokamak classico, ma il team ha dimostrato che le due tecnologie possono arricchirsi reciprocamente.
Una teoria che attendeva conferma sperimentale
I risultati di EAST non sono emersi dal nulla. Alcuni anni fa un gruppo di teorici aveva proposto che nei tokamak possano esistere due modalità operative fondamentalmente diverse per il plasma. La prima presenta un limite di densità ben definito, oltre il quale insorgono forti instabilità. La seconda elimina di fatto questo limite, a condizione che determinate condizioni siano soddisfatte sin dalle prime fasi di formazione del plasma.
Un elemento centrale di questa interpretazione riguarda l’interazione tra il plasma e le pareti del reattore. Quando il plasma surriscaldato colpisce i materiali strutturali con intensità eccessiva, strappa atomi dalla superficie e introduce impurità nella camera. Queste impurità raffreddano e destabilizzano il plasma, cosicché qualsiasi ulteriore aumento di densità si traduce in un brusco deterioramento dei parametri.
I teorici avevano ipotizzato che, limitando fin dall’inizio tali collisioni con le pareti, il plasma si sarebbe organizzato spontaneamente in uno stato diverso — molto meno sensibile a successive compressioni. Mancava soltanto una solida conferma sperimentale. EAST l’ha ora fornita. I ricercatori dell’Istituto di Fisica del Plasma dell’Accademia Cinese delle Scienze hanno così riportato in vita un’ipotesi quasi dimenticata, proiettandola al centro del dibattito scientifico.
Come i ricercatori cinesi hanno domato il plasma nel reattore EAST
Il gruppo di ricerca ha scelto un metodo di avvio diverso e un controllo più sofisticato delle condizioni iniziali. Il tokamak EAST è dotato di un sistema avanzato di magneti toroidali e poloidali superconduttori, la cui configurazione consente una modellazione del campo magnetico di straordinaria precisione.
L’approccio si è ispirato agli impianti di tipo stellarator, nei quali il plasma viene guidato attraverso un campo magnetico complesso e attorcigliato che riduce al minimo il contatto con le pareti. Pur rimanendo un tokamak classico, il team ha adottato soluzioni proprie di questa famiglia alternativa di reattori. Nello specifico, i ricercatori hanno lavorato sui seguenti elementi:
- Controllo molto preciso della pressione del gas all’ingresso della camera durante la fase di avvio
- Riscaldamento accurato del plasma tramite risonanza ciclotronica degli elettroni, che ha permesso di formare il plasma prima che si verificasse un’aggressiva interazione con le pareti
- Ottimizzazione dell’intera sequenza di avvio del plasma passo dopo passo, anziché concentrarsi esclusivamente sulla fase stazionaria centrale
- Riduzione al minimo delle impurità provenienti dalle pareti della camera in tungsteno e molibdeno
- Diagnostica avanzata ad alta risoluzione temporale per il monitoraggio in tempo reale dell’evoluzione della densità
- Controllo adattivo del campo magnetico nella prima fase della scarica
Il risultato è stato una minore contaminazione da parte delle pareti, ridotte perdite di energia e uno stato in cui il plasma ha potuto essere compresso a densità molto più elevate senza un deterioramento drammatico della stabilità. Modificando alcuni passaggi chiave nella procedura di avvio del reattore, è stato possibile portare il tokamak in una zona operativa completamente nuova, in cui la densità ha cessato di essere la principale limitazione.
Conseguenze per il settore energetico e le centrali del futuro
Per ora abbiamo un risultato sperimentale — non una centrale funzionante. Eppure le implicazioni per la progettazione dei reattori futuri potrebbero essere molto concrete. I grandi tokamak che vengono costruiti oggi esistono principalmente per compensare limiti fisici.
Se la densità non può essere aumentata in modo pratico oltre certi valori, occorrono volumi di plasma più grandi e tempi di scarica più lunghi. Questo costa miliardi, richiede decenni di costruzione e una logistica estremamente complessa. Se si dimostrasse che i reattori futuri possono operare in uno stato privo di un limite di densità significativo, parte di questi vincoli verrebbe meno.
Si aprirebbe così la strada a reattori più compatti, più facilmente integrabili nell’infrastruttura energetica esistente. Costi di costruzione ridotti significano che gli impianti non dovranno necessariamente raggiungere dimensioni gigantesche. E un minor bombardamento da parte del plasma caldo prolunga la vita dei componenti interni.
Questo apre prospettive interessanti per i paesi che non dispongono di budget per impianti della classe di ITER, ma desiderano sviluppare propri progetti di fusione — eventualmente in collaborazione con il settore privato. La startup americana Commonwealth Fusion Systems, che sta costruendo il tokamak compatto SPARC, potrebbe potenzialmente trarre vantaggio da questi risultati già nei prossimi anni. Lo stesso vale per la società TAE Technologies, che lavora a un concetto alternativo con combustibile aneutronico.
Una serie di record che sta accelerando la ricerca sulla fusione
Il primato di EAST non è un fenomeno isolato. Negli ultimi anni diversi laboratori hanno abbattuto le proprie barriere su altri fronti legati alla fusione — e insieme dipingono il ritratto di un settore in rapida evoluzione.
Il Lawrence Livermore National Laboratory in California ha raggiunto nel dicembre 2022 l’ignizione della fusione laser con guadagno energetico netto. Il tokamak JT-60SA a Naka, in Giappone, ha mantenuto plasma stabile per più a lungo di qualsiasi altro tokamak nella storia. Lo stellarator Wendelstein 7-X a Greifswald, in Germania, ha dimostrato che il design alternativo può operare con un’efficienza paragonabile a quella dei tokamak.
Tecnologie diverse — tokamak, stellarator e laser — affrontano aspetti diversi dello stesso puzzle: densità, tempo di confinamento, temperatura e bilancio energetico complessivo. Il panorama degli ultimi anni suggerisce che tutti questi parametri si stanno avvicinando a livelli che solo un decennio fa erano considerati un futuro lontano. Ricercatori della Princeton University, dell’Università di Oxford e del Tokyo Institute of Technology riportano tutti tendenze analogamente incoraggianti.
Cosa significa tutto questo per il consumatore comune di energia
Per la maggior parte delle persone, la fusione nucleare è associata a un’unica promessa: energia pulita tratta dalle stelle. In pratica, si tratta della visione di una fonte di energia che non emette anidride carbonica, produce quantità minime di rifiuti radioattivi a lunga vita e può funzionare indipendentemente dal vento e dal sole.
Quando barriere come il tetto alla densità del plasma vengono abbattute, il giorno in cui questa visione passerà dalle sale conferenze a progetti energetici concreti si avvicina. Se i reattori potranno essere costruiti in modo più piccolo e semplice, sarà più facile integrare la fusione nel mix energetico accanto alle rinnovabili, al nucleare convenzionale e agli accumuli di energia.
Vale tuttavia la pena mantenere aspettative realistiche. Dal record di laboratorio alla centrale commerciale il percorso è solitamente lungo. I risultati devono essere riprodotti in modo affidabile, e l’intero quadro tecnico deve essere progettato: sistemi di raffreddamento, scambio termico, gestione del combustibile e manutenzione dei componenti esposti a intensi flussi di neutroni. Materiali come il berillio e il litio giocheranno un ruolo chiave nella prima parete dei reattori.
Eppure nel settore si è verificato un cambiamento percepibile di approccio. Sempre più raramente si parla di lampi sperimentali isolati — sempre più spesso di integrazione di numerosi progressi in un unico progetto energetico organico. Il record di EAST si inserisce perfettamente in questa tendenza, poiché affronta un limite molto concreto e di lunga data. Forse già tra quindici o vent’anni vedremo la prima centrale a fusione commerciale consegnare energia alla rete.
