The stellarotor Wendelstein 7-X.
Può una maccchina diventare così importante da poter rappresentare l’inizio di una nuova era energetica? Per conoscere la risposta non bisognerà attendere ancora molto: W7-X, che sta per Wendelstein 7-X, è stata realizzata dal Max-Planck-Institut für Plasmaphysik sulla base di una vasta cooperazione internazionale che condivide l’importanza cruciale e la svolta epocale che la riuscita di questo progetto potrebbe implicare: l’utilizzo della fusione nucleare come forma di energia pulita e inesauribile.
Wendelstein 7-X
La costruzione di Wendelstein 7-X è finalmente terminata. Realizzata presso i laboratori di Greiswald in Germania, si configura come una delle più imponenti e complesse opere ingegneristiche mai realizzate e vede la luce dopo oltre un milione di ore di lavoro e un miliardo di investimenti. L’obiettivo della macchina è quello di dimostrare la fattibilità e la sostenibilità di un futuro impianto a fusione nucleare.
La macchina è uno stellarotor, ossia un reattore a fusione nucleare il cui principio di funzionamento si basa sulla creazione di plasma costretto all’interno di un campo magnetico. Da un punto di vista tecnico, W7-X si configura come la più grande macchina al mondo di questo tipo. Essa è costituito da 70 magneti superconduttori disposti su 5 diversi moduli strutturali, per un totale di oltre 250 tonnellate di avvolgimenti magnetici. Questi permettono di modellare il campo magnetico in maniera estremamente dettagliata e precisa. I superconduttori sono capaci di generare un campo magnetico di 3 Tesla (il campo magnetico terrestre è dell’ordine dei 40 000 nano Tesla) e l’intera struttura è stata progettata per sostenere una temperatura interna del plasma di oltre 100 milioni di gradi, vale a dire circa sette volte la temperature del nucleo del Sole!
Plasma e Campo Magnetico
A queste temperature estreme, gli elettroni si separano dai loro atomi permettendo la formazione di ioni. In condizioni normali, questi ioni si respingerebbero perché contrassegnati dalla stessa carica, ma in condizioni estreme come quelle all’interno del W7-X, essi si fondono liberando una certa quantità d’energia, esattamente come avviene nel Sole da circa 4,5 miliardi di anni.
Come funziona la fusione nucleare.
Una volta raggiunta la temperatura desiderata, il problema principale è quello di contenere e controllare il plasma incandescente. Quest’ultimo è costituito da particelle cariche e quindi risentirà di una forza di Lorentz se soggetto a un campo magnetico. Se si considera un semplice cilindro avvolto da un filo all’interno del quale fluisce corrente, il plasma al centro del cilindro sarà sottoposto a una forza lungo l’asse del cilindro stesso che lo porterà a muoversi in direzione parallela al campo magnetico generato. Se ora si immagina di piegare il cilindro fino a congiungerne le estremità, si avrà una forma toroidale (ad anello). Il campo magnetico costringerà il plasma a fluire all’interno del toroide, ma non sarà più uniforme. In particolare esso sarà più intenso al centro rispetto alle estremità. Siccome il campo magnetico s’indebolisce andando dal centro verso l’esterno, le particelle di plasma deviate verso l’esterno risentiranno sempre meno della forza di Lorentz fino ad abbandonare definitivamente il toroide. L’astrofisico Lyman Spitzer trovò la soluzione al problema, proponendo di estendere il toroide con sezioni rettilinee come in un circuito da corsa e ruotare un’estremità di 180°. Questa geometria infatti permette di ridurre enormemente la deriva verso l’esterno delle particelle cariche ed è per questo motivo che viene adottata negli stellarotor e quindi anche in W7-X.
La struttura del W7-X.
Stellarotor vs Tokamak
Ma gli stellarotor non sono le uniche macchine in grado di riprodurre fusioni nucleari. Infatti per anni si è andati nella direzione dei “tokamak”, più stabili da un punto di vista di plasma generato rispetto ai primi, ma meno efficienti: infatti i tokamak possono controllare il plasma in condizioni operative solo per poco meno di 7 minuti e l’energia necessaria per generare il plasma in quelle condizioni è maggiore di quella che è possibile ricavare dalle collisioni tra particelle. Praticamente consumano più di quanto producono: non esattamente quello che ci si aspetterebbe da un futuro reattore a fusione nucleare! Si pensa invece che lo stellarotor W7-X sarà in grado di lavorare in condizioni controllate per più di 30 minuti, producendo quindi molta più energia, garantendo una qualità e un equilibrio del plasma simile a quello dei tokamak e al tempo stesso superandone gli svantaggi.
W7-X in costruzione.
Obiettivi e Scenari Futuri
Come già accennato, l’obiettivo cardine del progetto è di indagare, in termini di fattibilità e sostenibilità, l’applicazione di questo tipo di tecnologia alla produzione massiccia di energia. Tra gli obiettivi secondari, ma ugualmente rilevanti, troviamo: investigare l’efficacia del campo magnetico e le proprietà del plasma in condizioni operative e dimostrare la capacità di condurre operazioni a lungo termine.
Tutti obiettivi che, qualora trovassero una validazione sperimentale, aprirebbero nuove frontiere nel mondo della fisica e del possibile utilizzo della fusione nucleare come fonte inesauribile di energia, ponendo nuove sfide nell’ambito della tecnologia, da un lato, e della sicurezza (ovviamente) dall’altro. Una porta appena aperta su una sfida tecnologica che da decenni impegna fisici e ingegneri nell’intento di sfruttare la stessa fonte di energia del Sole.
di Michele Mione
Linkografia:
Pagina ufficiale del Max-Planck-Institut für Plasmaphysik dedicata al progetto W7-X:
http://www.ipp.mpg.de/16900/w7x
Articolo di “Business Insider”:
http://www.businessinsider.com.au/germany-is-turning-on-its-monster-stellarator-2015-10
Pagina Wikipedia sugli Stellarotor:
https://en.wikipedia.org/wiki/Stellarator#Comparison_to_tokamaks
