Breve presentazione dei risultati conseguiti e dello stato odierno dell esperimento PROTO-SPHERA (Luglio 2019)

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1 Breve presentazione dei risultati conseguiti e dello stato odierno dell esperimento PROTO-SPHERA (Luglio 2019) L esperimento PROTO-SPHERA è un esperimento di confinamento magnetico dotato di simmetria di rotazione, proprio come il Tokamak. In tali esperimenti il plasma adatto alle reazioni nucleari di Fusione Controllata prende la forma di una ciambella (o toro ) e vi sono due prescrizioni indispensabili per confinarlo: in primo luogo deve essere presente un campo magnetico toroidale = diretto lungo il cerchio grande della ciambella e in secondo luogo un campo magnetico poloidale = diretto lungo il cerchio piccolo della ciambella (ciò equivale alla presenza di una corrente elettrica toroidale, entro il plasma, il quale è conduttore come e anche più che un metallo). Il plasma diviene così organizzato secondo superfici magnetiche toroidali, contenute le une dentro le altre, sulle quali le linee di forza magnetica sono avvolte ad elica (vedi Fig. 1). PROTO-SPHERA tenta di superare alcune delle limitazioni dei Tokamak: rimuove due conduttori metallici centrali, fino ad oggi ritenuti fondamentali nei Tokamak, non solo il conduttore rettilineo centrale (il quale chiude la corrente elettrica del magnete toroidale esterno, Fig. 1a, per generare il campo magnetico toroidale ) ma anche il trasformatore solenoidale (la cui corrente elettrica variabile si avvolge intorno al conduttore rettilineo, Fig. 1a, per indurre la corrente toroidale nel plasma). Entrambi i conduttori metallici vengono sostituiti da un unico materiale conduttore ben diverso: una scarica centrale di plasma, con linee di forza magnetica e di corrente elettrica esse pure avvolte ad elica, vedi Fig. 1b. Si può dire che PROTO-SPHERA è: un Tokamak diverso, in cui una scarica centrale di plasma gioca i ruoli di entrambi i conduttori metallici centrali e di conseguenza li elimina. Fig.1a) Schema di un Tokamak; Fig.1b) Schema di PROTO-SPHERA. Plasma in rosa, conduttori metallici ed elettrodi in giallo, camera da vuoto in grigio; Tale scelta implica una semplificazione enorme, ovvero la forma cilindrica del contenitore (Fig. 2a): le camere da vuoto toroidali dei Tokamak sono una grossa complicazione già in fase di costruzione, ma ancor più nelle fasi di intervento e riparazione; introduce tuttavia la complicazione di due elettrodi all interno (Fig. 2b). Mentre la presenza del campo toroidale in PROTO-SPHERA era fin dalla progettazione un fatto certo, purché gli elettrodi (Fig. 3a) riuscissero a produrre la corrente nella scarica centrale, viceversa, che tramite gli elettrodi si potesse produrre e sostenere per 1 sec il toro di plasma percorso da corrente, era un punto mai esplorato prima e quindi una delle finalità essenziali dell esperimento. PROTO-SPHERA è stata da metà 2014 fino all inizio del 2018 costruita e funzionante nella sua fase iniziale; all interno della camera da vuoto erano presenti 8 bobine magnetiche, capaci soltanto di sagomare la scarica centrale (Fig. 3b).

2 Fig. 2) PROTO-SPHERA durante: a) il montaggio dell anodo (2015) e b) un intervento nel 2016 Fig. 3) a) Plasma ed elettrodi; b) Bobine Interne fase-1; plasmi di fase-1 a piena corrente (10 ka) c) Ar e d) H La piena corrente della scarica centrale, 10 ka in Idrogeno, è stata sostenuta per la durata di 1 sec all inizio del 2018 (Fig. 3c e d); a questa conferma di quanto progettato si è aggiunta l ottima sorpresa che i plasmi prodotti sono risultati densi come quelli tipici dei Tokamak ad alto campo (>1020 particelle/m3) e ancora che tali plasmi ruotano a circa 500 Hz intorno al loro asse di simmetria. Nello stesso anno PROTO-SPHERA ha però prodotto e sostenuto anche i primi tori di plasma, percorsi da corrente toroidale fino a 7 ka; questo aggiungendo all esterno della camera da vuoto 4 bobine magnetiche improvvisate (Fig. 4a). La tensione continua richiesta sugli elettrodi è di soli 220 V per la scarica centrale in Idrogeno, che salgono a 240 V con il toro formato. I tori fin qui ottenuti sono estremamente magri, coerenti comunque con quanto calcolato (Fig. 4b) e dotati di un

3 divertore che fuoriesce da un punto magnetico ad X, ovvero un ventaglio di plasma che fa da scarico della potenza dissipata nel plasma toroidale (Fig. 4c). Fig. 4) a) Bobine esterne per produrre in primi tori di plasma nel 2018; b)calcolo magnetico; c) Immagine di un toro magro ottenuto nel 2018, sovrapposta al calcolo magnetico. Si è scelto di sagomare nella seconda fase dell esperimento i tori in forma non di ciambella magra, bensì di toro sferico, ovvero di mela con il torsolo sottilmente forato (Fig. 3a): le proprietà di confinamento migliorano all aumentare della corrente entro il toro, corrente che cresce man mano che la scarica centrale viene ristretta. Nella seconda fase dell esperimento la corrente della scarica centrale crescerà di un fattore 7: dagli attuali 10 ka a ben 70 ka; ma la sagomatura prevista dovrebbe poter far scorrere fino a 300 ka di corrente di plasma entro i tori sferici, sostenibili per 1 sec. Fig. 5) a) Lo stato a fine Luglio 2019 di PROTO-SPHERA con la nuova camera da vuoto in PMMA e le nuove bobine esterne; b) Vista di 4 delle 6 bobine interne con cui si sagomerà il Toro Sferico

4 Nei primi mesi del 2019 è stata sostituita la vecchia camera da vuoto cilindrica in Alluminio con una nuova camera da vuoto isolante e trasparente in PMMA (Poli-Metil-MetAcrilato) (Fig. 5a), la finalità di tale isolamento essendo quella di risolvere in modo definitivo ogni scarica residua fuori dal percorso voluto e di eliminare altresì gli effetti delle correnti immagine che erano presenti nell Alluminio; si sono inserite inserire 6 nuove bobine magnetiche interne alla camera da vuoto (Fig. 5b). Nella seconda parte del 2019 si tenterà la produzione dei primi tori sferici, il cui volume dovrebbe raggiungere il 70% del totale (Fig. 6b) ed infine nella seconda fase, dopo il 2021, il volume del toro raggiungerà il 95% (Fig. 6c). Le potenze totali coinvolte aumenteranno dagli attuali 2.4 MW a 3.5 MW e infine a 21 MW: dato il volume molto piccolo del plasma toroidale (1/5 di m 3 ) si sta puntando a potenze per unità di volume dell ordine di 100 MW/m 3, confrontabili con le potenze specifiche dei reattori a fissione. Fig.6 Plasma in rosa (scarica centrale) e viola (toro), conduttori interni esistenti in verde, conduttori interni addizionali in rosso; 3a) Situazione del 2018; 3b) Situazione del 2019; 3c) Situazione della fase-2 (2021) Va a questo punto fatto un accenno alla fisica che consente la spontanea formazione, a partire da una scarica centrale, di un toro capace di circondarla. L analogia più ovvia è con gli anelli di fumo che vengono prodotti da getti rettilinei di vapore sia dai vulcani in eruzione che da abili fumatori, ma anche con gli anelli di aria che vengono prodotti e sostenuti sott acqua da cetacei giocherelloni. Nel nostro caso il fenomeno che consente tale formazione si chiama riconnessione magnetica di un plasma e consiste nella possibilità che, vicino ad un punto in cui linee magnetiche si lambiscono (punti ad X di Fig. 4 e Fig. 6), si operi uno strappo delle linee magnetiche stesse ed una loro successiva diversa ricucitura ; quando tale fenomeno si sviluppa porta ad un espulsione di energia dal campo magnetico ed al conseguente riscaldamento del plasma stesso: le riconnessioni magnetiche sono responsabili dell aumento spettacolare della temperatura del plasma verso l esterno nella corona solare, temperatura che passa dai 6000º C della sottostante fotosfera solare ai milioni di ºC della soprastante corona. Nelle riconnessioni, oltre al travaso di energia, è presente anche un travaso di flusso magnetico e di corrente elettrica: tale travaso consente il trasferimento di parte della corrente elettrica toroidale, che si avvolge intorno alla scarica centrale di plasma, verso l interno del toro circostante, proprio attraverso gli strappi che si verificano sui punti ad X magnetici. Tale trasferimento si è già dimostrato nel 2018 capace di sostenere la corrente nel toro di plasma in presenza di una configurazione magnetica globalmente stazionaria per ½ sec, tempo che è praticamente infinito rispetto ai tempi brevissimi associati alle instabilità del plasma; quindi anche la seconda prescrizione indispensabile per il confinamento magnetico (corrente stazionaria e continua che percorra il toro) viene ottemperata da PROTO-SPHERA. Questo risultato fa presumere che le riconnessioni magnetiche possano fornire una potenza considerevole per riscaldare il toro di plasma, rendendo probabilmente superfluo qualunque riscaldamento addizionale del plasma. Gli attuali tori magri occupano solo l 8% del volume della parte centrale sferica del plasma (Fig. 6a) e

5 corrispondono ad una potenza di circa l 8% dei 2.4 MW richiesti per il mantenimento del plasma complessivo. Ciò che deciderà se PROTO-SPHERA potrà dare adito ad una successiva macchina per la Fusione Controllata, sarà la temperatura raggiunta dal suo toro sferico nella seconda fase dell esperimento. In caso di successo (kev di temperatura) i vantaggi sarebbero molteplici, anzitutto l eliminazione del magnete toroidale (Fig. 7a), della camera da vuoto toroidale, dei riscaldamenti addizionali e dei sistemi addizionali per far scorrere una corrente elettrica stazionaria nel toro: tali innovazioni ridurrebbero il costo di un Reattore a Fusione all 1% di quanto richiesto da un Tokamak. La prima ragione di ciò sarebbe l utilizzo pieno dei campi magnetici: PROTO-SPHERA è stata progettata per ottenere pressione termica al 100% della pressione magnetica della macchina, mentre i Tokamak sono limitati da varie instabilità del plasma ad un utilizzo vicino all 1%. Ancora: la configurazione magnetica di PROTO-SPHERA potrebbe portare ad un Reattore a Fusione costituito da magneti permanenti, senza dissipazione elettrica e senza la necessità di sistemi criogenici. Emergerebbe un reattore in cui, una volta innescato il plasma, sarebbe sufficiente fornire attraverso gli elettrodi sia il gas per la combustione nucleare che una tensione continua di sostentamento. La scarica centrale garantirebbe la stabilizzazione del toro: a tutt oggi PROTO-SPHERA non ha mai manifestato (dopo centinaia di scariche dotate di toro) il fenomeno della cosiddetta disruzione, ovvero la scomparsa improvvisa (in msec) del plasma, fenomeno che è probabilmente un ostacolo irremovibile sulla realizzabilità di un Reattore a Fusione basato sul Tokamak. La presenza di bobine interne alla camera da vuoto e vicine al plasma non è risultata svantaggiosa, anzi le corazze metalliche di tali bobine vengono caricate elettrostaticamente dal plasma stesso, il quale entra in rotazione intorno al suo asse di simmetria per l effetto combinato dei campi elettrici e magnetici incrociati e viene quindi ulteriormente stabilizzato. La presenza di elettrodi all interno della camera da vuoto è comunque temperata dal progetto della macchina, in cui i due plasmi superiore (anodico) ed inferiore (catodico), Fig. 3c e d, sono quanto più possibile separati dal plasma centrale, con cui comunicano solo attraverso le due strizioni magnetiche alta e bassa; infatti la presenza di inquinamento dai materiali dei due elettrodi è quasi assente: nella zona centrale l intero spettro visibile è costituito unicamente dalle righe spettroscopiche dell Idrogeno, mentre una contenuta componente continua metallica appare solo nella spettroscopia del lontano ultravioletto. Fig.7 a) Quanto resta del magnete toroidale: le gambe di ritorno della corrente; b) PROTO-SPHERA e c) futuribile propulsore spaziale a Fusione magnetica

6 Oltre all ovvio interesse di produrre energia la Fusione Controllata ha anche un secondo importante obiettivo: quello di fornire sistemi di propulsione spaziale molto più potenti che non i razzi chimici: infatti, poiché i prodotti delle reazioni di fusione vengono emessi ad un energia che è 1 milione di volte più alta che non i prodotti delle reazioni chimiche, la spinta specifica (per unità di massa espulsa) di un Propulsore a Fusione sarebbe ovviamente 1 milione di volte più elevata. La configurazione di PROTO-SPHERA, in caso di successo, potrebbe dar adito ad un Propulsore spaziale a Fusione: calcoli di orbite dei prodotti carichi di fusione mostrano che dai punti estremi e centrali (Fig. 7b e c) che terminano i plasmi anodico e catodico (punti sui quali il campo magnetico è nullo) verrebbero espulse quantità considerevoli (10-15%) di tali prodotti carichi, predominantemente da uno dei due nulli di campo, e quale dei due verrebbe deciso dal verso elicoidale dei campi magnetici confinanti. Questo potrebbe consentire la conversione diretta della potenza di Fusione in tensione elettrica continua dal lato del nullo di campo con espulsione non predominante e invece l effetto di propulsione a razzo dal nullo di campo ad espulsione predominante.