INQUADRAMENTO DI PROTO-SPHERA NEL PANORAMA INTERNAZIONALE
I Tori sferici
Il Toro Sferico (ST), in vista di una macchina capace di produrre una fluenza elevata
di neutroni (CTF, Component Test Facility), prospetta notevoli vantaggi rispetto alla linea
Tokamak. Richiedendo una minore superficie, puo' fornire un flusso neutronico piu' elevato
simultaneamente ad un minor consumo di Trizio.
Pensando piu' alla lontana, un futuro reattore a fusione basato su un toro sferico (ST)
avrebbe il rilevante vantaggio di permettere un grande corrente di plasma Ip in presenza di un
campo magnetico non molto elevato. Inoltre i tori sferici sono per loro natura capaci di
ottenere un valore del beta del plasma:
β=Pressione cinetica del plasma/Pressione magnetica di confinamento,
molto piu' elevata rispetto ai Tokamak convenzionali , tipicamente un fattore 10: 40% contro
il 4%. Questo e' in altro vantaggio non indifferente, infatti consente un ben miglior
sfruttamento dei magneti di confinamento, che dovrebbero essere la parte piu' costosa di un
ipotetico reattore a confinamento magnetico.
Tale configurazione magnetica concentrerebbe tuttavia la gran parte delle difficolta'
ingegneristiche intorno all'inevitabilmente sottile "palo centrale" della macchina, dove i
campi magnetici e di conseguenza le sollecitazioni elettromeccaniche sarebbero le piu'
elevate. Inoltre tale "palo centrale", dovendo essere molto sottile, non potrebbe venir
schermato dai neutroni prodotti dalle reazioni di fusione. In piu', non resterebbe ulteriore
spazio per un trasformatore centrale e quindi sarebbe assolutamente necessario ricorrere a
sistemi di "current drive" per sostenere la corrente del plasma del toro sferico: tali sistemi
sarebbero particolarmente difficili da far funzionare (ancor di piu' che in un reattore basato su
un Tokamak convenzionale), a causa della elevata corrente e densita' del plasma ed alla bassa
intensita' del campo magnetico. Quindi il basso rapporto di aspetto comporta difficolta' che a
tutt'oggi non sono state ancora superate.
PROTO-SPHERA
PROTO-SPHERA e' nato per esplorare la possibilita' interessante di sostituire la
corrente nel "palo centrale" metallico con la corrente di un plasma che prenda la forma di uno
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"screw-pinch" (SP), e sia prodotta da elettrodi. In tal modo, due problemi di grande impatto
potrebbero venir rimossi: anzitutto scomparirebbe il predetto danneggiamento neutronico ed
inoltre, se si potesse ottenere iniezione di elicita' magnetica – e quindi di corrente – dal
plasma dello "screw-pinch" centrale al toro sferico con sufficiente efficienza, si potrebbe
sostenere la corrente di plasma Ip, presumibilmente in presenza di rilassamenti ciclici della
configurazione.
L'esperimento PROTO-SPHERA e' di conseguenza una configurazione magnetica
semplicemente connessa, composta da un toro sferico (di diametro esterno 0.7 m, con
superfici magnetiche chiuse e corrente toroidale di plasma Ip≤240 kA) e da un arco di plasma
d'idrogeno, che prende la forma di uno "screw-pinch" (con estensione del plasma da un
elettrodo all'altro LPinch≈2 m e diametro all'equatore≈0.08 m) con linee di campo magnetico
aperte e corrente tra gli elettrodi di 60 kA, alimentato da elettrodi anulari (raggio degli
elettrodi=0.40 m e loro spessore=0.04 m). L'esperimento e' stato costruito negli anni 20072009 dalla ASG Superconductors di Genova, all'interno della camera da vuoto di START
(che e' stata gentilmente regalata dalla Associazione Britannica Euratom-UKAEA).
PROTO-SPHERA dovrebbe iniziare le operazioni con il plasma nel 2011-2012.
I problemi aperti per i Tori sferici
A-L'innesco del plasma
Una dimostrazione della partenza di un plasma capace poi di raggiungere alte correnti in
assenza del solenoide centrale non e' stata ancora raggiunta; gli studi principali si concentrano
su:
1) MAST (Culham, UK) dove pero' la partenza con RF e' stata ottenuta con correnti di
plasma molto basse (~10-20 kA) non consone al successivo intervento di NBI per effettuare
la rampa di corrente in assenza di trasformatore; un nostro tentativo (2004-2006) di ottenere
il Double Null Merging (DNM), ovvero la formazione del plasma in assenza di trasformatore
centrale da due toroidi innescati dalle bobine esterne ha dato risultati non conclusivi, a causa
dell'innesco intorno a bobine contenute entro la camera da vuoto (situazione non interessante
dal punto di vista futuro). Non e' inoltre chiaro se un esperimento DNM sara' fattibile su
MAST Upgrade, i cui tempi di realizzazione stanno dilatandosi, essenzialmente a causa delle
difficolta' di ITER che mettono nell'incertezza il prosieguo dell'intero programma europeo.
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2) TST (Universita' Tokyo, JP) sta invece perseguendo un accanito programma di DNM ed
ha avuto un discreto successo (correnti di 60 kA), pero' per tempi molto corti; non e' chiaro se
i sistemi di cui e' dotato potranno consentire una ragionevole estensione della corrente.
3) NSTX (Princeton, USA), dove il sistema di Coaxial Helicity Injection (CHI) ha funzionato
bene, consentendo la partenza di plasmi di oltre 100 kA, ma la qualita' del plasma ottenuto e'
povera dal punto di vista della temperatura e delle impurezze; un nuovo sistema di Point
Helicity Injection (PHI) dovrebbe entrare in funzione nei prossimi anni, perfezionando i
risultati ottenuti su:
4) PEGASUS (Madison, USA) dove, in un esperimento di taglia universitaria, una
temperatura ionica elevata' e' stata prodotta
B-Sostenimento della corrente allo stato stazionario
Una dimostrazione chiara della possibilita' di aumentare e sostenere la corrente e' forse il
punto a tutt'oggi piu' carente:
1) MAST (Culham, UK), dove la potenza NBI ha sempre costituito un problema, dovuto
probabilmente a difetti di nascita del sistema, e la radiofrequenza EBW e' ancora ai primi
vagiti.
2) NSTX (Princeton, USA), dove il sistema radiofrequenza HFW e' praticamente fallito, dal
punto di vista del current drive, mentre il sistema NBI ha tirato un porzione rispettabile di
corrente, ma non ancora quella totale. E' pero' da far notare che l'alto beta toroidale ottenuto
da questo esperimento (β~40%) ha consentito di raggiungere una frazione di corrente noninduttiva (current drive + bootstrap) vicina all' 80%, anche se su tempi limitati.
3) GLOBUS (San Pietroburbo, Russia), dove l'uso di sistemi a RF (LH e ICH) ereditati dai
Tokamak precedenti (per questione di costo) fa intravvedere interessanti risultati di studio,
ma ben difficilmente migliorera' i gia' deludenti risultati ottenuti su questi ultimi. Stessa
considerazione si puo' azzardare per
4) QUEST (Fukuoka, JP), che e' da molti punti di vista un esperimento parallelo a GLOBUS.
5) HIT-II (Seattle, USA), un toro sferico poco piu' piccolo di START, e' stato per le soluzioni
tecniche l'esperimento piu' rilevante per PROTO-SPHERA dal punto di vista dell'iniezione di
elicita', in quanto e' stato in grado di sostenere (in assenza di solenoide) una corrente fino a
250 kA per molti tempi resistivi. Ora e' stato sostituito dallo Spheromak HIT-SI,
completamente dedicato all'iniezione di elicita'.
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C-Instabilita' e disruzioni
I risultati di stabilita' sono stati interessanti, in particolare mostrando disruzioni naturalmente
mitigate (ovvero piu' lente) rispetto ai Tokamak, ma hanno anche mostrato una vulnerabilita'
superiore del confinamento alle instabilita' interne ad alta corrente. Si puo riassumere la
situazione dicendo che, ad alta corrente (purtroppo quella richiesta per le finalita' di fusione
controllata), i Tokamak ordinari sono proni a disruzioni violentissime (si vedano i problemi
quasi insormontabili per ITER), mentre il confinamento dell'energia degli ST viene 'bucato'
in maniera esacerbata, anche in assenza di disruzioni violente.
Per quanto attiene al limite di beta la situazione e' diversa tra
1) NSTX (Princeton, USA) dove un beta intorno a β=40% e' stato raggiunto, pero' in
presenza di una parete conduttrice che circonda completamente il plasma (situazione non
proprio ideale per una estrapolazione applicativa ad un forte flusso di neutroni) e
2) MAST (Culham, UK) dove il beta e' molto piu' contenuto β<20% in assenza di tale parete
conduttrice, ma anche in presenza dei malfunzionamenti del sistema NBI, che ha in ogni caso
una potenza ridotta rispetto a NSTX. Va notato che in START (il vecchio esperimento di
Culham di cui PROTO-SPHERA utilizza la camera da vuoto), anche in assenza di una parete
condittrice vicina al plasma, furono raggiunti beta anche di poco superiori a β=40%.
D-Interazione Plasma-parete
Mentre all'apparenza e' il terreno piu' pericoloso, poiche' la ridotta superficie degli ST porta
sulla carta ad una densita' di potenza persa piu' elevata che non sui Tokamak, nella realta' la
natura si comporta per ora meglio, in quanto la potenza persa sul lato interno del divertore e'
molto minore che non sul lato esterno. Se tale situazione perdurera' anche con l'aumentare
della potenza resta del tutto da vedere.
E-Rifornimento del combustibile e ricircolo del gas
I problemi di fueling sono a tutt'oggi inferiori a quelli dei Tokamak, semplicemente per le
dimensioni inferiori dei plasmi prodotti, ma un attacco aggressivo al problema, con l'uso di
sistemi di iniezione di tori compatti non e' tuttora decollato, anche se non e' chiaro se questo
e' stato dovuto alla minor rilevanza dei problemi presenti o ad un banale conservativismo
nell'operare le macchine ST.
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Come PROTO-SPHERA si situa rispetto ai problemi aperti per i Tori sferici
Per quanto attiene ai punti A-E si possono fare le seguenti considerazioni:
A-L'innesco del plasma
Su PROTO-SPHERA e' del tutto originale e, se di successo, potrebbe portare a tecniche
simili applicate anche a ST col palo centrale, introducendo elettrodi ausiliari; un'andamento
del genere si sta gia' comunque delineando per NSTX (Princeton, USA) dove il nuovo
sistema di Point Helicity Injection (PHI, dal 2012 in poi) ha delle analogie notevoli, che
potrebbero dar adito a un interessante interscambio. Un vecchio esperimento dell' Universita'
di Tokyo (TS-3) formo' nel 1993 un plasma toroidale partendo da una colonna centrale di
plasma: tale risultato e' stato alla base della proposta di PROTO-SPHERA. Infatti la durata
del plasma di TS-3, benche' limitata dalla soluzione tecnica assolutamente improvvisata
(semplici elettrodi cilindrici con tensione di kV tra di loro) arrivo' a mostrare chiaramente che
l'innesco del plasma avveniva senza instabilita' MHD ideali. La simulazione e verifica con
calcoli di stabilita' ideale dell'esperimento TS-3 e' stato uno dei punti su cui si e' basata la
proposta di Frascati.
B-Sostenimento della corrente allo stato stazionario
Questo e' il punto piu' critico e dirimente da vedere su PROTO-SPHERA: e' qui che
l'esperimento potrebbe con piu' probabilita' fallire (non scientificamente, nel senso che la
risposta sara' comunque interessante, ma dal punto di vista di portare o meno allo sviluppo di
una nuova linea per il confinamento magnetico). Le sovrapposizioni sono su questo aspetto
molto limitate, con NSTX (Princeton, USA) dove il nuovo sistema di Point Helicity Injection
(PHI) e' inteso anche per prove di sostentamento della corrente, anche se con una potenza
limitata (<1 MW), viceversa PROTO-SPHERA avra' una potenza di 6-7 MW e dara' una
risposta dirimente, anche rapportata con i risultati ottenuti da HIT-II. Il confronto piu'
interessante sara' con gli esperimenti Spheromak che sono pero' concentrati in Universita'
americane e giapponesi (ad esempio HIT-SI e TS-4): PROTO-SPHERA si distingue da tali
esperimenti per la dinamica molto piu' lenta (non e' innescata da un plasma-gun), per le
dimensioni molto piu' grandi e per una struttura magnetica del plasma toroidale piu' vicina ad
un Tokamak Sferico (ST); questo potrebbe portare ad un interessamento ed a collaborazioni
estese da parte dei gruppi Spheromak americani e giapponesi.
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C-Instabilita' e disruzioni
Anche tale punto sara' molto critico per PROTO-SPHERA: il buon senso porta ad
immaginare un degrado del confinamento e il probabile innesco di meccanismi di
rilassamento, ovvero la produzione a catena di nuovi tori dal palo centrale; sono pero' proprio
le caratteristiche dinamiche (auto-organizzazione) di tale plasma che potrebbero portare a
sorprese inaspettate forse anche in senso positivo.
D-Interazione Plasma-parete
Anche qui PROTO-SPHERA si distingue per la totale separazione del plasma principale dai
due plasmi in interazione con gli elettrodi. Lo spazio entro la macchina e' comunque tale da
consentire l'introduzione di piastre per il divertore e di apparecchiature ausiliarie anche
intorno al plasma principale, se cio si dovesse rendere necessario; su questo lato PROTOSPHERA puo' ricevere molto da MAST, dove l'esperienza sul divertore e' considerevole.
E-Rifornimento del combustibile e ricircolo del gas
Al momento il problema non sussiste, ma in una fase successiva (in presenza di buoni
risultati dell'esperimento completo, ovvero PROTO-SPHERA finale e non solo della sua
prima fase MULTI-PINCH) si potrebbe pensare di introdurre un'iniezione di tori compatti,
magari rotanti sul loro asse, capitalizzando l'esperienza ragguardevole americana e
giapponese sugli Spheromak.
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