Fusione nucleare: il reattore tedesco funziona con "una precisione senza precedenti"

Il reattore nucleare W7-X
Il reattore nucleare W7-X Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz

Si chiama Wendelstein 7-X (abbreviato in W7-X), è un reattore nucleare, la sua realizzazione ha richiesto 19 anni, 1,1 milioni di ore-lavoro ed investimenti pari a circa 1 miliardo di euro, e potrebbe rivoluzionare totalmente il settore della produzione di energia. In base ad un paper pubblicato su Nature Communications, il mega-impianto tedesco non solo funziona, ma lo fa anche con "una precisione senza precedenti".

Facciamo qualche passo indietro, per capire bene di cosa stiamo parlando. Il W7-X si trova all'Istituto Max Planck per la Fisica del Plasma di Greifswald: si tratta di un reattore per la fusione nucleare acceso per la prima volta a dicembre 2015 e per la prima volta testato a febbraio di quest'anno, alla presenza della cancelliera Angela Merkel (che, come non tutti sanno, ha una laurea in fisica e ha conseguito un dottorato con una tesi sulla chimica quantistica).

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Un reattore per la fusione nucleare funziona grazie al confinamento di un gas ionizzato denominato plasma. Quando quest'ultimo viene riscaldato a temperature intorno ai 100 milioni di gradi, gli elettroni si separano dai loro atomi: in questo modo vengono formati degli ioni che, collidendo e fondendosi insieme, generano energia. Si tratta dello stesso processo che alimenta il nostro Sole: spiegandolo in questo modo potrebbe apparire semplice, ma in realtà costruire un reattore per sfruttare questa energia è molto complesso.

La fusione nucleare viene considerata un promettente approccio alla produzione di energia pulita e abbondante. Nonostante la similitudine del nome, il processo non ha nulla a che vedere con le centrali nucleari: in quel caso, il metodo coinvolto è quello della fissione, che prevede di dividere il nucleo di un atomo. I reattori come il W7-X riescono invece a generare energia facendo fondere fra loro gli atomi a temperature estremamente alte, il tutto senza produrre rifiuti radioattivi (o di altro tipo). 

Il W7-X, il reattore per la fusione nucleare del Max Planck Institute Il W7-X, il reattore per la fusione nucleare del Max Planck Institute  IPP, Wolfgang Filser

Il W7-X è peraltro un esempio dell'approccio più complesso alla fusione nucleare, trattandosi di un cosiddetto "stellarator": si tratta di un tipo di reattore molto più arduo da costruire rispetto ai cosiddetti "tokamak", che rappresentano il concept maggiormente utilizzato negli studi in questo campo, anche se finora i risultati ottenuti non sono stati quelli sperati.

I tokamak riescono infatti a tenere sotto controllo il plasma solamente per pochi minuti alla volta  (il record appartiene all'impianto francese Tore Supra, con 6'30"): con una durata così breve, è impossibile ottenere più energia di quella immessa nel sistema per riscaldare il plasma alle altissime temperature necessarie. Sul versante opposto, gli stellarator sembrano invece in grado di garantire accensioni fino a 30 minuti, ma presentano difficoltà di progettazione e costruzione molto grandi.

La struttura dello stellarator è molto complessa, vista la necessità di creare un campo magnetico di forma toroidale.  L'approccio utilizzato nel W7-X è infatti quello del confinamento magnetico, che sta avendo un certo successo nel campo degli studi sulla fusione nucleare. Parlare di confinamento magnetico significa che una volta riscaldato il plasma, dei potenti campi magnetici vengono generati per tenerlo sotto controllo. Nel caso del W7-X, questo viene ottenuto grazie a 50 bobine magnetiche da 6 tonnellate (che nell'immagine sottostante sono rappresentate in blu). 

Il W7-X, il reattore per la fusione nucleare del Max Planck Institute Il W7-X, il reattore per la fusione nucleare del Max Planck Institute: in giallo è rappresentato il plasma, confinato dalle bobine magnetiche (rappresentate in blu)

Perdonate la lunghezza di questa premessa, ma era indispensabile per comprendere al meglio l'importanza scientifica del contenuto del paper redatto dai ricercatori dell'Istituto Max Planck. Come si può leggere nello studio, il W7-X non solo produce i campi magnetici per i quali è stato progettato, ma lo fa addirittura con un accuratezza mai vista, ossia con un tasso di errore inferiore a 1 su 100.000.

"Per quanto ne sappiamo, questa è un'accuratezza senza precedenti, sia in termini del lavoro ingegneristico dietro ad un dispositivo di fusione che nella misurazione della topologia magnetica", scrivono gli scienziati coinvolti. Se questo vi sembra oscuro o poco significativo, tenete presente che l'altissima precisione dei campi magnetici è ciò che conferisce stabilità ad un reattore, permettendogli di restare in funzione molto a lungo o, per dirla in altri termini, abbastanza a lungo da produrre più energia di quella utilizzata per farlo funzionare.

Come detto, a dicembre dell'anno scorso il W7-X si era dimostrato in grado di controllare plasma di elio, mentre a febbraio era stata testata la capacità di produrre plasma di idrogeno a bassa densità. Ad ogni modo, nonostante le dimostrazioni già fornite, era fondamentale verificare il funzionamento del campo magnetico.

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Per riuscirci, un team di ricercatori tedeschi e statunitensi ha "sparato" un fascio di elettroni nel reattore, utilizzando delle luci fluorescenti per creare quello che sembra essere il prodotto di un complesso sistema di luci laser, ma che in realtà rappresenta esattamente ciò che i campi magnetici immaginati nella progettazione del W7-X dovrebbero produrre.

"Abbiamo confermato che la gabbia magnetica che abbiamo costruito funziona come progettato", ha commentato Sam Lazerson dello statunitense Princeton Plasma Physics Laboratory, che ha guidato circa la metà degli esperimenti. Ad ogni modo, questo è solamente uno dei passi da fare prima che si riesca a dimostrare che strutture come lo stellarator tedesco possano effettivamente produrre energia. "Il compito è appena cominciato", spiegano i ricercatori.