Hot News: I ricercatori di Fusion raccomandano i tweak di design di ITER

Ho capito. I ricercatori raccomandano che questa parte fondamentale di ITER, un sistema di scarico noto come il divertore che deve resistere alle alte temperature, sia rivestito di tungsteno anziché di carbonio.

I consulenti scientifici del progetto del reattore a fusione ITER hanno raccomandato diverse modifiche chiave del progetto che potrebbero aumentare i rischi tecnici, ma anche facilitare il percorso verso la produzione di energia in eccesso. Le raccomandazioni, formulate la scorsa settimana dal comitato consultivo scientifico e tecnologico di ITER (STAC), dovranno essere approvate dal Consiglio ITER a novembre. Ma se approvato, come previsto, "la possibilità di sorprese dopo viene ridotta", afferma Alberto Loarte, responsabile della sezione di confinamento e modellazione di ITER. "Il rischio pagherà."

ITER, costruito in Francia da una collaborazione internazionale, mira a dimostrare che la fusione nucleare, la reazione che alimenta il sole, può essere controllata sulla terra per produrre energia. Ma il raggiungimento di questo obiettivo comporta il riscaldamento di gas idrogeno a più di 150 milioni di ° C in modo che i nuclei di idrogeno si schiacciano insieme con una forza sufficiente da fondere. Per fare ciò, i ricercatori stanno costruendo un enorme contenitore a forma di ciambella chiamato tokamak per confinare il gas ionizzato o il plasma usando campi magnetici enormemente forti. L'obiettivo di ITER è quello di convincere il plasma a produrre 500 megawatt (MW) di calore, 10 volte i 50 MW di potenza richiesti per riscaldare il plasma; questo effetto moltiplicatore è noto come un guadagno di 10.

Il cambiamento più significativo deciso alla riunione dello STAC riguarda una struttura alla base della nave del tokamak chiamata divertor. La sua funzione principale è rimuovere l'elio che è il gas "di scarico" della reazione di fusione. Il divertore è l'unica parte della nave in cui il plasma superhot tocca effettivamente una superficie solida, quindi deve essere in grado di assorbire enormi quantità di calore, fino a 10 MW per metro quadrato di superficie.

I piani esistenti richiedono di realizzare il primo divertore di ITER con uno strato esterno di carbonio. Questa è l'opzione sicura: il carbonio è ben collaudato negli interni del tokamak; può sopportare facilmente le temperature; e se qualcuno viene proiettato nel plasma, non influisce molto sulle prestazioni. Il problema con il carbonio, tuttavia, è che reagisce allegramente con l'idrogeno, legando gli atomi nella sua struttura. Questo non sarebbe un problema durante le prime fasi dell'operazione ITER quando i ricercatori pianificano di utilizzare l'idrogeno o l'elio nella macchina per capire come funziona. Ma un rivestimento di carbonio potrebbe essere un enorme problema nelle fasi successive, quando i ricercatori prevedono di passare al vero combustibile per fusione: una miscela più reattiva degli isotopi di idrogeno, deuterio e trizio. Il trizio è radioattivo e quindi deve essere attentamente controllato e giustificato. I regolatori nucleari non accetterebbero mai un materiale divertor che assorba il trizio e quindi lo rende impossibile da localizzare.

Per risolvere questo problema, i pianificatori avevano proposto di eseguire ITER per diversi anni con il divertore rivestito in carbonio e quindi passare a uno in tungsteno. Il tungsteno ha il più alto punto di fusione di qualsiasi metallo: 3422 ° C. Questo dovrebbe andare bene per sopportare il calore prodotto durante le normali e costanti operazioni ITER. Ma qualsiasi raffica di calore inattesa potrebbe potenzialmente sciogliere il divertore, e il tungsteno - a differenza del carbonio - avvelena istantaneamente il plasma, facendo fermare la fusione. Quindi gli operatori di ITER avrebbero dovuto far funzionare il reattore molto più attentamente con un deviatore al tungsteno, non spingendolo fino ai limiti in cui il plasma potrebbe diventare instabile.

Nonostante questo inconveniente del tungsteno, lo STAC ha raccomandato di realizzare ITER con un deviatore al tungsteno dall'inizio. "Non è stata una decisione facile", afferma Joaquín Sánchez, presidente dello STAC, a capo del laboratorio spagnolo di fusione nazionale a Madrid. La decisione è stata presa dopo anni di ricerche presso altri laboratori di tokamak, in particolare Joint European Torus (JET) a Culham, nel Regno Unito, che è la macchina più vicina a ITER per dimensioni e design. Diversi anni fa, i ricercatori del JET hanno ristrutturato il reattore con un divertore al tungsteno e rivestimento in berillio (come avrà ITER). Dopo un anno di test , hanno confermato che questo "muro simile a ITER" funzionava abbastanza bene da non causare problemi a ITER.

Sebbene alcuni ricercatori della fusione pensino che sarebbe più sicuro iniziare ITER con un ben noto distruttore di carbone, permettendo loro di spingere il reattore agli estremi alla ricerca di alte prestazioni, a cominciare dal tungsteno ha anche dei vantaggi. Cambiare i divertori è un processo complesso che richiederebbe molti mesi. Inoltre, una volta avviata l'operazione con il combustibile al deuterio-trizio, l'interno della nave diventa radioattivo (o "attivato"), rendendo molto più difficile la modifica dei componenti interni. "Se iniziamo con il tungsteno, risparmiamo il costo del cambiamento", afferma Sánchez. "Sappiamo che il tungsteno sarà più difficile, ma inizieremo a imparare prima nella fase non attivata e se c'è un problema possiamo mandare le persone a sistemarlo".

Le altre modifiche progettuali riguardano due bobine magnetiche separate da inserire all'interno del recipiente del reattore per mettere a punto il controllo del plasma. I principali magneti confinanti il ​​plasma di ITER sono all'esterno della nave e si comportano come uno strumento contundente. Circa 5 anni fa, i ricercatori hanno evidenziato il fatto che gli operatori avrebbero difficoltà a mantenere stabile la posizione verticale del plasma, e quindi hanno proposto alcune bobine magnetiche extra all'interno.

Oltre a quelli per la stabilità verticale, i ricercatori hanno proposto l'installazione di un secondo set di bobine interne per combattere un fenomeno inquietante nel plasma di fusione superhot chiamato modalità localizzate sul bordo o ELM. Gli ELM si verificano quando l'energia si accumula nel plasma durante la fusione e poi scoppia fuori dal bordo in modo imprevedibile, potenzialmente danneggiando il rivestimento o il divertore. Il secondo gruppo di bobine dispiega un campo magnetico per irruvidire la superficie del plasma in modo tale da far defluire energia ad una velocità costante piuttosto che a scoppi irregolari.

Qualunque cosa all'interno della nave è sottoposta a calore estremo, radioattività e forze magnetiche, quindi i ricercatori hanno dovuto convincere lo STAC che questi due gruppi di bobine potrebbero essere resi abbastanza resistenti da sopravvivere. "C'è stata una certa riluttanza nello STAC e nell'Organizzazione ITER a causa dei problemi tecnici dell'installazione", afferma Loarte. Esperimenti in altri laboratori in tutto il mondo li hanno rassicurati. "I risultati ottenuti sono stati molto positivi", dice.

STAC ha anche esaminato attentamente il programma di consegna dei componenti di ITER. Il piano originale richiedeva che tutto - sistemi di riscaldamento, strumenti, mitigazione degli ELM - fossero in atto quando ITER sarebbe stato completato nel 2020. Ma i ritardi hanno fatto sì che alcuni articoli arrivassero più tardi. "Avevamo bisogno di rifare il programma con una logica coerente con [raggiungere il funzionamento del deuterio-trizio] più velocemente. Non era coerente prima e questo ha portato a critiche ", dice Loarte. "Ora dobbiamo fare la parte organizzativa, che non è semplice."

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