TOKAMAK

SPIEGAZIONE VELOCE: (di Tommaso95)
Il Tokamak ha la forma di una ciambella tenuta sotto vuoto, nella quale vengono immessi deuterio e trizio. Questi elementi vengono riscaldati fino a diventare plasma, che è uno stato della materia in cui i nuclei degli atomi si separono dai rispettivi elettroni. I magneti confinano poi il plasma in un piccolo anello in maniera che non tocchi nulla di solido. Nello stesso tempo si fanno muovere elettroni all’interno del plasma, creando una corrente elettrica che lo riscalda ancora: a questo punto potenti campi magnetici creano le condizioni affinché gli isotopi di idrogeno finiscano per fondersi, formando un atomo di elio, il rilascio di un neutrone libero e di energia.

SPIEGAZIONE PROFFESIONALE: (di Wikipedia con aggiunte di Tommaso95)
Dettagli di funzionamento


La configurazione magnetica Tokamak: le linee del campo magnetico principale (o campo toroidale) si avvolgono ad anello intorno al buco del toro (figura in alto); il passaggio della corrente di plasma realizza il cosiddetto campo magnetico poloidale (al centro); le linee del campo magnetico totale sono quindi delle eliche con passo molto largo, che si avvolgono intorno al toro (in basso).
Il principio su cui si basa il funzionamento del Tokamak è che una particella carica immersa in un campo magnetico segue una traiettoria elicoidale (detta anche moto di ciclotrone) secondo l' equazione di Larmor, che definisce il raggio di Larmor
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dove è la velocità della particella perpendicolare al campo magnetico, m è la sua massa, B è l'intensità del campo magnetico, ed Ze è la carica dello ione (per l'elettrone, Z = 1 ed e è negativa). Quindi, poiché una particella (elettrone o ione che sia) non si può allontanare più di ρ dalla linea di campo, allora un campo magnetico risulta confinare in modo efficiente un plasma. Questo risultato viene di solito formalizzato, all' interno della fisica del plasma, come Teorema di Alfvén: il moto delle particelle è in qualche modo vincolato dalla dinamica delle linee di campo magnetico.
L'idea quindi è quella di realizzare delle linee di campo magnetico, che si chiudano ad anello intorno a una forma geometrica a ciambella: in termini tecnici, questa configurazione si chiama in geometria toro. In questo modo, le particelle sono costrette a fluire lungo le linee del campo magnetico, percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro, e rimanendo pertanto confinate (vedi figura a destra, in alto). Il campo magnetico ad anello viene chiamato in linguaggio tecnico campo toroidale (il piano poloidale è il piano ortogonale alla direzione toroidale, vedi figura in basso a sinistra).


Coordinate su un toro: con P è indicato il piano poloidale; p è l'angolo poloidale, t l'angolo toroidale, r il raggio minore, R il raggio maggiore.
In realtà, la situazione reale è abbastanza più complicata: disomogeneità del campo magnetico toroidale (intensità e curvatura) fanno sì che esistano dei moti di deriva delle particelle, rispetto alla direzione del campo magnetico: per esempio, la velocità di deriva dovuta a un gradiente di campo magnetico è dell'ordine di:
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dove R è il raggio maggiore del toro. Poiché il raggio di Larmor ρ è in genere molto piccolo (frazioni di millimetro per gli ioni, e micron per gli elettroni), le velocità di deriva sono piccole. Tuttavia, è anche vero che una particella, per effetto di temperatura, ha una velocità propria molto grande: nel caso di un protone, questa velocità è
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cioè, per un plasma che abbia delle temperature fusionistiche (T = 1keV) tale velocità è dell' ordine del centinaio di km al secondo. È quindi chiaro che una particella compierà un giro toroidale in una frazione di secondo (tipicamente, frazioni di μs). Nel tempo di una scarica di plasma, quindi, una particella, per effetto della deriva di gradiente, potrebbe facilmente andare a sbattere contro le pareti del Tokamak.
La soluzione sta nell'incurvare ad elica le linee di campo toroidale, in modo che la velocità di deriva punti alternativamente verso l'interno o l'esterno della camera di scarica, e mediamente l'effetto si annulli. In termini più precisi, si introduce una trasformata rotazionale ι, cioè l'angolo che una linea di campo forma su un fissato piano poloidale, quando ha compiuto un giro toroidale.
Spesso, al posto della trasformata rotazionale, si introduce il fattore di sicurezza, definito come:
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esso è il numero di giri toroidali che devo compiere per fare un giro poloidale. Se cioè la linea di campo toroidale viene incurvata di un valore ι piccolo, allora il corrispondente valore di q è grande. Una definizione alternativa di q (vedi ancora figura in alto a sinistra) è quella di definire q come l'angolo toroidale Δt che devo compiere in direzione toroidale per fare un intero giro poloidale p = 2π, cioè in formule:
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Per definizione di linea di campo si ottiene che:
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dove è la lunghezza percorsa lungo la linea di campo. Inserendo dentro la definizione di q si ha che:
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se approssimiamo il toro con un cilindro periodico, allora (con p l'angolo poloidale) e allora:
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In sostanza, per incurvare le linee di campo toroidale, occorre introdurre una componente del campo magnetico in direzione ortogonale: questa direzione è chiamata direzione poloidale, e il corrispondente campo magnetico si chiama campo poloidale. La condizione iniziale di introdurre una piccola trasformata rotazionale ι diventa una condizione su q del tipo:
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il che equivale a introdurre un (piccolo) campo poloidale Bp. Un campo poloidale si può ottenere in modo semplice inducendo una corrente nella direzione toroidale, come mostrato in figura in alto (al centro). La combinazione dei due campi, toroidale e poloidale, produce come risultato delle linee di campo che sono eliche, con passo molto lungo (cioè, con q > 1).
Accensione della corrente di plasma e scarica [modifica]


Immagine dell' interno della camera da vuoto dell' esperimento TCV, a Losanna. È evidente in primo piano il solenoide centrale, che occupa il buco centrale del toro.
In un tokamak, come condizione iniziale viene creato un vuoto spinto o ultraspinto, mediante apposite pompe a vuoto. L'accensione della corrente di plasma nel contenitore toroidale avviene in tre tempi:
• si immette corrente nelle bobine di campo toroidale;
• in seguito, viene immessa una piccolissima quantità di gas (generalmente idrogeno o suoi isotopi) di cui si vogliano studiare le proprietà.
• si immette corrente nel solenoide centrale, che occupa il buco centrale del toro (vedi figura a lato), creando un flusso nel nucleo del Tokamak: esso costituisce il circuito primario di un trasformatore, di cui il toro costituisce il circuito secondario;
• la corrente nel primario viene fatta rapidamente calare, e questo crea una forza elettromotrice. Gli atomi neutri vengono ionizzati, si crea una scarica con elettroni via via più numerosi per effetto degli urti fra elettroni e atomi neutri.
• il gas non è più neutro, ma è diventato plasma: a questo punto la corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda il plasma a temperature anche molto elevate (qualche milione di gradi).
Se il gas introdotto nel Tokamak è una miscela di deuterio e trizio, si possono allora studiare le reazioni di fusione termonucleare dei plasmi ricreando per certi versi l'ambiente che si ha all'interno delle stelle. La speranza è quella di ottenere l'ignizione del plasma, un fenomeno che si autososterrebbe, per poter estrarre energia da fusione nucleare, un'energia che non lascia scorie radioattive né è passibile di esplosioni o fughe di radiazione e in tal senso è un'energia completamente "pulita".
Metodi di riscaldamento del plasma
Come indicato più sopra, il metodo tradizionale per scaldare un plasma è quello di indurre una corrente elettrica nel toro (metodo che viene talvolta chiamato riscaldamento ohmico).
Tuttavia, nel Tokamak questo si scontra con la condizione fondamentale di stabilità q > 1, che si traduce in nella condizione che il campo magnetico toroidale sia molto grande rispetto alla corrente di plasma; ossia, che la corrente di plasma IP soddisfi la condizione
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dove μ0 è la permeabilità magnetica del vuoto e a è il raggio minore del toro. La condizione scritta è una condizione molto stringente sulle possibilità del riscaldamento ohmico: nei Tokamak moderni è quindi necessario utilizzare una serie di metodi diversi, noti come riscaldamenti addizionali. Questo da un lato porta ad ottenere facilmente delle temperature di interesse fusionistico; dall' altro, i riscaldamenti addizionali sono un problema per quanto riguarda l'efficienza di un futuro reattore (come per esempio evidenziato negli studi per ITER).
Una soluzione parziale a questo problema consiste nell' osservare che la condizione sulla corrente dipende da a / R, cioè l'inverso del cosiddetto rapporto d'aspetto R / a: è quindi conveniente operare a rapporti d'aspetto il più basso possibile, in modo da utilizzare la corrente di plasma più alta possibile. È questa la soluzione dei cosiddetti Tokamak sferici, o ad alto campo, come Alcator C-MOD, al MIT di Boston, o NSTX al PPPL di Princeton (dove "alto campo" si riferisce alla componente poloidale del campo magnetico).
Macchine esistenti o in fase di progettazione
ITER È la macchina che dovrà dimostrare, dal punto di vista scientifico e tecnologico, la praticabilità della fusione come fonte di energia primaria. È in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia. Sito ufficiale: https://www.iter.org/
• IGNITOR Progetto italiano per la realizzazione di un reattore sperimentale di piccole dimensioni.
• JET (Joint European Torus) è la più grande macchina europea: è attiva dal 1978, ed è quindi una delle macchine da fusione più vecchie tuttora in operazione. Dal 2000 le operazioni sono condotte unitamente da scienziati provenienti da vari laboratori europei (le cosiddette "Associazioni"), all'interno del programma europeo di fusione, guidato dall'EURATOM. I risultati ottenuti al JET costituiscono la base per la costruzione di ITER.
• FTU (Frascati Tokamak Upgrade): è l'unico Tokamak italiano, situato nei laboratori di Frascati dell' ENEA. FTU è basato sul principio di un alto campo magnetico (similmente ad Alcator C-Mod), e di una configurazione a X del campo magnetico per il pompaggio del materiale combusto di fusione (il cosiddetto divertore). L'esperimento italiano gemello non è un Tokamak, ma un Reversed field pinch (RFP), una configurazione alternativa sviluppata a partire dagli anni settanta: si chiama RFX ed è situato nei laboratori del CNR di Padova.
• ASDEX Upgrade situato a Garching, presso Monaco di Baviera, in Germania; è operativo dal 1991. Il suo predecessore, ASDEX, è stato il primo tokamak che abbia utilizzato, nel 1982, una configurazione a X del campo magnetico (divertore). Il divertore funziona come un sistema di pompaggio delle impurezze del plasma, e sarà utilizzato come schema anche per ITER
• Tore Supra attivo dal 1988, la sua principale caratteristica è l'uso di materiali superconduttori per la realizzazione delle bobine del campo magnetico toroidale. È situato a Cadarache, nel sud della Francia, vicino ad Aix-en-Provence: nello stesso sito verrà realizzato ITER. [4]
• TCV (Tokamak a Configuration Variable) situato a Losanna, Svizzera.
• TEXTOR
• JT-60
• TFTR attivo al PPPL di Princeton dal 1982 al 1997, è notevole per avere dimostrato per primo (nel 1994) la possibilità di produrre energia da fusione nucleare su larga scala, utilizzando isotopi di deuterio e trizio.
• DIII-D è un grande Tokamak americano, gestito dalla General Atomics, a San Diego, in California. È stato uno dei primi Tokamak a sezione non-circolare, ed è uno dei primi ad avere sperimentato un sistema di controllo attivo in retroazione delle instabilità MHD del plasma.
• Alcator C-MOD è in funzionamento dal 1993, e segue i precedenti progetti Alcator A (1975-1982) and Alcator C (1982-1988). Viene gestito dal Plasma Science and Fusion Center (PSFC), presso il MIT di Boston. Il nome stesso (in italiano, Alcator = Alto Campo Toro) indica che la soluzione tecnologica adottata in questo esperimento è quella di utilizzare un campo magnetico intenso per confinare il plasma.