Un tokamak è un dispositivo sperimentale di confinamento magnetico che esplora la fisica dei plasmi e le possibilità di produrre energia mediante fusione nucleare . Esistono due tipi di tokamak con caratteristiche significativamente differenti, i tokamak torici tradizionali (oggetto di questo articolo) e i tokamak sferici .
È un candidato allo sviluppo tecnologico di una generazione di energia centrale mediante fusione nucleare utilizzando il principio di uno scambio di calore con un fluido. È tuttavia necessario inizialmente dimostrare con ITER che l'energia prodotta dalle reazioni di fusione rimane superiore all'energia consumata per mantenere il plasma in condizioni (per realizzare queste reazioni di fusione).
Inventato nei primi anni 1950 da fisici sovietico Igor Tamm e Andrei Sakharov su un'idea originale del fisico Oleg Lavrentiev , l' acronimo tokamak deriva dal russo "тороидальная камера с магнитными катушками" ( per roidalnaïa ka mera s mia gnitnymi k atouchkami : in francese , camera toroidale con bobine magnetiche). Incontriamo - più raramente - l'ortografia tokomak . Il primo tokamak, chiamato T1, è stato costruito presso l' Istituto Kurchatov di Mosca.
Il futuro tokamak ITER misurerà 29 metri di altezza per 28 metri di diametro e peserà circa 23.000 tonnellate.
All'interno del tokamak, l'energia generata dalla fusione dei nuclei atomici viene assorbita sotto forma di calore dalle pareti della camera vuota. Come le centrali elettriche convenzionali, una centrale elettrica a fusione utilizza questo calore per produrre vapore e poi, attraverso turbine e alternatori, elettricità. La fusione permette a due atomi molto leggeri (es. deuterio e trizio ) di creare atomi più pesanti. La reazione non può mai essere portata via perché non è una reazione a catena. La minima polvere nel tokamak fermerà la reazione. Questa trasformazione produce un difetto di massa che si manifesta sotto forma di energia ( E = mc 2 dove E è l'energia prodotta in joule, m la massa scomparsa in kg, ec la velocità della luce nel vuoto, in m/s). Questa energia in eccesso potrebbe trasformarsi in calore in eccesso, che per convezione potrebbe essere convertito in elettricità per mezzo di una turbina a vapore accoppiata ad un alternatore ; l' ITER prevede l'utilizzo di una miscela deuterio-trizio (D-T) equimolare.
La fusione nucleare richiede 2 nuclei per incontrarsi. Deve quindi:
Un altro criterio è la velocità di raffreddamento naturale del plasma quando il riscaldamento viene interrotto. Più grande è il plasma, più diminuisce il rapporto tra "numero di atomi sulla superficie" e "numero di atomi all'interno". Alla fine, mantiene meglio il suo calore e impiega più tempo a raffreddarsi. Questo tempo di raffreddamento è chiamato “tempo di confinamento” e spiega in particolare la corsa al gigantismo dei tokamak.
Una reazione di fusione si ottiene quando 2 nuclei atomici si incontrano. Tuttavia, allo stato naturale sulla Terra, i nuclei sono circondati da una nuvola elettronica, il tutto formando un atomo. Il nucleo è caricato positivamente e la nuvola elettronica negativa (l'atomo è globalmente neutro). Come i poli sud o nord di un magnete si respingono, le nuvole elettroniche si respingono e formano un guscio protettivo per i nuclei. Il primo passo è separare i nuclei dalla loro nuvola elettronica. Esistono due metodi: abbassare la pressione (come nelle luci al neon) o riscaldare il gas (come in una fiamma).
Il secondo passaggio consiste nel riempire una camera con un gas deuterio/trizio (i reagenti) a bassissima pressione (sono sufficienti solo pochi grammi di materiale per "riempire" uniformemente la camera del tokamak). In questo caso, il confinamento è meccanico. Il gas viene poi riscaldato dal microonde (stesso principio dell'elettrodomestico): inizierà a perdere elettroni. Le temperature raggiunte dal plasma diventeranno rapidamente pericolose per i materiali della parete della camera.
La sfida è controllare un plasma nel cuore del tokamak, in un volume limitato e abbastanza lontano da qualsiasi elemento solido, in particolare dalla parete della camera (che brucerebbe o fonderebbe istantaneamente sotto il calore).
Il concetto iniziale è semplice: confinare le particelle in uno spazio ridotto, all'interno della camera (il plasma sarà poi separato dalle pareti da un vuoto).
Contenimento radiale (solenoide)Il plasma è costituito da particelle cariche (ioni ed elettroni); questi ultimi però sono molto facilmente confinabili in un campo magnetico, perché possono muoversi solo perpendicolarmente a quest'ultimo. Facciamo quindi in modo che la camera diventi un lungo tubo, circondato da una bobina di filo elettrico che forma un solenoide. Questo solenoide crea un campo radiale (lungo il raggio del tubo) e, grazie alla forza di Lorentz , le particelle possono muoversi solo nella direzione perpendicolare: l'asse del tubo. Questa direzione corrisponde a una linea di campo magnetico. Questo campo magnetico spingerà le particelle verso le estremità del tubo: ioni da un lato ed elettroni dall'altro.
Per essere più precisi, dobbiamo anche considerare che:
Abbiamo quindi risolto solo metà del problema di contenimento, perché non contenevamo le estremità del tubo. Per ovviare a questo problema il tubo si chiude su se stesso creando un toroide. Tuttavia, questo dispositivo ha un inconveniente: il campo magnetico non è omogeneo come in un solenoide. Le spire dell'avvolgimento, a livello del grande raggio del toro (l'esterno) sono meno strette delle spire interne: più il materiale si allontana dal centro del toro, meno è soggetto al campo magnetico . Compaiono tre fenomeni:
Infine, questi ultimi due fenomeni sposteranno la spirale in modo che dopo un giro le particelle non si trovino più nello stesso posto: si sono spostate perpendicolarmente al toro (sempre in direzioni opposte a seconda che si tratti di ioni o di elettroni ). ).
Contenimento poloidaleÈ quindi necessario un terzo confinamento che costringe le particelle a riavvolgersi nello stesso punto dopo un giro. La soluzione è torcere il plasma. Occorre poi creare una forza capace di far girare su se stesso il toroide delle particelle (in modo che il raggio grande diventi il raggio piccolo e viceversa ). Ci sono due soluzioni:
Per creare questo campo magnetico che ruota attorno al toro, le equazioni di Lorentz implicano che una corrente elettrica deve fluire lungo il toro. Il plasma essendo ionizzato, forma naturalmente un conduttore a forma di anello. Considereremo quindi questo anello come il secondario di un trasformatore costituito da una spira. Concentricamente al toro e tutt'intorno a quest'ultimo avremo delle bobine circolari a formare il primario del trasformatore. La corrente che alimenta queste bobine sarà quindi alternata con una frequenza dell'ordine di un hertz.
Avremmo potuto chiamare questo campo campo circolare, ma, come visto nel paragrafo precedente, il toro di un tokamak è appiattito al centro, la sua sezione non è più un cerchio ma un cerchio appiattito, che è una varietà di poloide . Ecco perché il termine usato è campo poloidale.
TurbolenzaNonostante la cura posta nel confinamento magnetico, il plasma è un fluido soggetto a turbolenze microscopiche e macroscopiche, che ha conseguenze molto importanti.
Le microscopiche turbolenze , legate all'impatto delle particelle l'una contro l'altra, agitano il plasma e aiutano a raffreddarlo (come girare un cucchiaio in una zuppa). Le alte temperature del plasma fanno sì che questa turbolenza abbia un impatto significativo sul tempo di confinamento e quindi sull'efficienza complessiva del reattore.
La turbolenza macroscopica si verifica quando questo è tutto plasma che si muove. può oscillare, avvicinarsi al muro o addirittura essere attraversato dalle onde. Se del materiale viene a contatto con le pareti, si parla di perdita di confinamento ( confinamento disgregazione in inglese) o più in generale di disgregazione . Tuttavia, se le protuberanze toccano la parete del tokamak, quest'ultimo sarà molto riscaldato e attraversato da intense correnti elettriche (legate alle correnti indotte dalle bobine poloidali). Le conseguenze possono arrivare fino alla perdita dell'integrità del reattore.
Per produrre una reazione di fusione nucleare, la materia deve essere riscaldata a temperature molto elevate (circa 150 milioni di gradi Celsius ). In queste condizioni, gli elettroni si separano completamente dal loro nucleo - si dice che l'atomo si ionizza . La materia allora entra in un nuovo stato: lo stato del plasma .
Per ottenere tali temperature sono stati testati diversi metodi:
Nei reattori a fusione del futuro, la temperatura necessaria potrebbe essere ottenuta con una combinazione di questi metodi.
Il bilancio energetico è definito dal fattore "Q" che corrisponde al quoziente dell'energia rilasciata dalla fusione diviso per l'energia consumata, con:
Esistono diverse fasi legate al confinamento e ai livelli di temperatura del plasma:
Attualmente, JET detiene il record per il fattore Q più alto con Q = 0,65. Il reattore ITER in costruzione dovrebbe raggiungere teoricamente Q = 10 (e Q = 5 in funzionamento continuo).
Oltre al suo ruolo di fornace (riscaldamento) e bottiglia magnetica (confinamento), un tokamak può essere dotato di 2 elementi: una coperta di trizio e un " divertore ".
Il mantello di trizio è un rivestimento di parte della parete del tokamak con litio che, a contatto con i neutroni derivanti dalla reazione di fusione, produrrà trizio (per fissione del litio). Questa soluzione ha il vantaggio di non richiedere lo stoccaggio del trizio (molto costoso da produrre, radioattivo e di breve durata).
Il divertore avviene alla fine della reazione per deviare (" divert " in inglese) e separare i rifiuti di plasma dalla reazione (in particolare l'elio). Il divertore viene generalmente posto alla base del toro, il toro viene poi allungato verso il basso (seconda deformazione della poloide). Questa configurazione permette di avere un flusso di plasma meno importante a contatto con il deviatore. Quest'ultimo è costituito da "bersagli" regolarmente distanziati che interrompono il flusso di plasma. Le sollecitazioni meccaniche e termiche subite dal divertore sono estreme. Il deviatore può essere dotato di rivestimento al trizio.
Se una tale tecnologia dovesse essere sviluppata, i suoi vantaggi sarebbero:
Questa tecnologia è ancora in fase di ricerca e sperimentazione:
Le interruzioni sono fenomeni noti fin dalla realizzazione dei primi tokamak. Sono definiti come “perdite violente e molto rapide (circa 20 ms) del confinamento dei plasmi tokamak che possono portare a danni alla struttura del tokamak. Generano cariche termiche sui componenti affacciati al plasma, forze elettromagnetiche nelle strutture della macchina e producono elettroni disaccoppiati relativistici che possono perforare la camera del vuoto” .
Se il rischio di fuga (nel senso in cui lo intendiamo per reazione di fissione nucleare) è a priori inesistente, quello della comparsa di instabilità tridimensionali note come " disruption " è inevitabile e riconosciuto dal progetto ITER, anche in condizioni di funzionamento normale. Senza un sistema di rilevamento delle anomalie combinato con un sistema di attenuazione, il plasma potrebbe erodere, deformare, distruggere o fondere determinati moduli di copertura. Gli ingegneri stanno quindi cercando di comprendere meglio le interazioni tra le particelle veloci e la turbolenza dei plasmi a fusione magnetica torica. I promotori del progetto ITER stimano, sulla base di modelli recenti, e di “ leggi ingegneristiche ” che possano essere gestiti (mediante iniezione massiva di gas nobili nell'anello di Tokamak). ITER deve comunque essere testato a potenze progressive, perché flussi energetici significativi e distruttivi, con possibilità di erosione esplosiva per i moduli della parete tokamak, possono generarsi in situazione di instabilità; il plasma caldo (T = 1-20 keV) che verrà prodotto nel tokamak di un reattore a fusione agirebbe poi sulla grafite e sul tungsteno della coperta in modo diverso, con un flusso di energia fino a 140 MJ/m 2 in grado di aggredire materiali di copertura con “valori molto più alti di quelli in caso di erosione sotto l'effetto di un plasma a temperatura più bassa, ma a parità di densità energetica” . Infine, i danni, le particelle ei detriti di erosione su scala atomica di questi incidenti devono poter essere riparati e ripuliti dal sistema di decontaminazione entro periodi compatibili con l'operazione a fini di produzione di energia.
Una valvola di attenuazione rapida dei disturbi è stata recentemente aggiunta al JET per studiare l'attenuazione mediante iniezione massiccia di gas. Ha consentito di studiare gli effetti di diverse tipologie di gas e velocità di iniezione, per quanto riguarda i ritardi e la loro efficacia in termini di attenuazione.
Secondo due recenti tesi (Reux 2010 e Thornton 2011), più potente è il tokamak, più importanti sono le conseguenze dell'instabilità del plasma. Ogni generazione di tokamak utilizza un'intensità maggiore. In caso di disservizio in ITER, una breve scarica potrebbe raggiungere circa 11 milioni di ampere applicati in una sorta di fulmine su un'area di poche decine di cm, con il rischio di distruggere in maniera molto maggiore il materiale di copertura rispetto ai primi tokamak sperimentali, anche la tenuta del toro. Secondo la tesi difesa da Andrew Thornton all'Università di York ingennaio 2011, "Le conseguenze delle interruzioni nei tokamak di prossima generazione sono gravi e le conseguenze di un'interruzione in una centrale elettrica tokamak sarebbero catastrofiche" .
Si presentano ora come un "grande rischio" per le prossime generazioni di tokamak compreso ITER, che sarà molto più potente dei precedenti e che non sarà in grado di tollerare gli effetti calorici ed elettromagnetici delle perturbazioni, né il flusso di elettroni .disaccoppiato ad alta energia (elettroni in fuga) .
Gestione e "ammortamento dei disservizi"I progettisti di futuri reattori sperimentali (o futuri tokamak di potenza destinati a produrre elettricità di routine, che sono ancora teorici) oggi credono di non poter evitare interruzioni. Cercano quindi di "ammortizzarli", vale a dire di limitare i loro effetti distruttivi (due tesi recenti si sono concentrate su questo argomento, sulla base di modelli ed esperimenti effettuati nei tokamak Tore Supra e JET ). Per questo, gli ingegneri progettano in particolare sistemi di iniezione di gas massivi che, se vengono iniettati con sufficiente anticipo e abbastanza uniformemente (l' interruzione può verificarsi in pochi millisecondi e il plasma è quindi molto turbolento), devono frenare e/o inibire totalmente la produzione elettroni disaccoppiati ad alta energia.
Il funzionamento di un reattore industriale consumerebbe quantità significative di trizio (56 kg per GWth e per anno).
Per i primi esperimenti, lo stock prodotto dai reattori CANDU esistenti dovrebbe essere sufficiente. Si prevede poi che i reattori a fusione sperimenteranno un'autoproduzione di trizio: una “ coperta di trizio ” innaffiata dal flusso di neutroni potrebbe produrre abbastanza trizio per le esigenze del tokamak.
Una soluzione considerata da Richard Majeski è quella di produrre una barriera al litio liquida attorno al plasma. Per questo abbiamo già testato un flusso di 40 MeV che penetra in un bersaglio costituito da un flusso di litio liquido (target Li) circolante a 15 metri al secondo, e dobbiamo sperimentare la stabilità di un flusso di litio liquido circolante ad una velocità di 20 m/ s sotto vuoto (10- 3 Pa ) in un impianto (ELTL) che contiene 5 m 3 di litio liquido. In ITER, nel normale funzionamento, questo litio dovrebbe essere bombardato da un flusso di neutroni stimato intorno ai neutroni ad alta energia emessi per centimetro quadrato al secondo.
Tuttavia, questa autoproduzione è molto problematica, perché l' equilibrio dei neutroni è molto sfavorevole. Questo perché la produzione di un atomo di trizio dal litio consuma un neutrone e la successiva fusione di questo atomo produce un solo neutrone. Per compensare le inevitabili perdite di neutroni, è in qualche modo necessario introdurre un passaggio intermedio che moltiplichi il numero di neutroni.
Il bilancio dei neutroni deve essere aumentato aggiungendo materiali moltiplicatori di neutroni come piombo o berillio , o anche isotopi fissili . Questa soluzione ha l'inconveniente di produrre scorie nucleari della stessa tipologia di quelle prodotte dalle attuali centrali nucleari, anche se uno degli obiettivi proposti per la fusione nucleare è quello di essere l'energia “pulita”.
Il trizio pone il problema della sua elevata diffusione in vari materiali (significativo rischio di fuoriuscita e assorbimento nei materiali). Ciò complica ulteriormente la scelta di questi materiali e dei sistemi di decontaminazione del trizio ( detritiazione ). Una struttura come ITER richiederà diverse barriere di contenimento e trattamento al trizio in ogni componente che comporti la presenza di trizio. Sono necessari sistemi di detritizione atmosferica e di ventilazione, che coinvolgono un'unità dell'impianto interamente dedicata a questo gas, denominata “Tritium Building”, appositamente dedicata al trattamento del combustibile deuterio-trizio.
Il flusso di neutroni induce una radioattività attivante nei materiali che circondano il plasma (piastre protettive del pilastro centrale e dell'anello, che aiutano anche a mantenere la produzione di trizio per bombardamento del litio che contengono, in una delle soluzioni trattenute) e le interruzioni nel plasma possono danneggiare periodicamente elementi della parete (in particolare mediante bombardamento di particelle ad alta energia), che devono poi poter essere modificati.
Secondo l'eurodeputata Michèle Rivasi , nessuna assicurazione è stata fornita per coprire un possibile incidente di questo tipo se dovesse portare alla distruzione con contaminazione dell'ambiente da trizio, o da berillio, piombo, litio di installazione, 4 prodotti molto tossici.
Circa 200 tokamak sono stati costruiti in tutto il mondo.
Elenco di alcuni tokamak ancora operativi fino ad oggi:
Primi prototipi:
Ci sono molte altre esperienze, ognuna con le sue specificità:
Prossimi tokamak: Diversi tokamak sono costruiti o progettati per studiare la fattibilità di un tokamak industriale che consenta la produzione di energia elettrica a basso costo ed in modo ecologico:
Un tokamak mira a controllare il confinamento dei plasmi. Ci sono altri metodi per farlo.