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Il progetto ideato dal MIT realizza un importante progresso verso l'energia di fusione
Il nuovo magnete superconduttore batte i record di forza del campo magnetico, aprendo la strada a un'energia pratica, commerciale e senza carbonio.
È stato un momento di tre anni, basato su un intenso lavoro di ricerca e progettazione: Il 5 settembre, per la prima volta, un grande elettromagnete superconduttore ad alta temperatura è stato portato ad un'intensità di campo di 20 tesla, il campo magnetico più potente del suo genere mai creato sulla Terra. Questa dimostrazione di successo aiuta a risolvere la più grande incertezza nella ricerca di costruire la prima centrale a fusione del mondo che può produrre più energia di quella che consuma, secondo i leader del progetto al MIT e la società startup Commonwealth Fusion Systems (CFS).
Questo progresso apre la strada, dicono, alla creazione a lungo ricercata di centrali elettriche pratiche, poco costose e senza carbonio, che potrebbero dare un contributo importante per limitare gli effetti del cambiamento climatico globale.
"La fusione è per molti versi l'ultima fonte di energia pulita", dice Maria Zuber, vicepresidente del MIT per la ricerca e professore di geofisica E. A. Griswold. "La quantità di energia disponibile è davvero rivoluzionaria". Il combustibile usato per creare l'energia di fusione proviene dall'acqua, e "la Terra è piena d'acqua - è una risorsa quasi illimitata. Dobbiamo solo capire come utilizzarla".
Lo sviluppo del nuovo magnete è visto come il più grande ostacolo tecnologico per far sì che ciò accada; il suo funzionamento di successo ora apre la porta alla dimostrazione della fusione in un laboratorio sulla Terra, che è stata perseguita per decenni con progressi limitati. Con la tecnologia del magnete ora dimostrata con successo, la collaborazione MIT-CFS è sulla buona strada per costruire il primo dispositivo di fusione del mondo che può creare e confinare un plasma che produce più energia di quella che consuma. Questo dispositivo dimostrativo, chiamato SPARC, dovrebbe essere completato nel 2025.
"Le sfide per realizzare la fusione sono sia tecniche che scientifiche", dice Dennis Whyte, direttore del Plasma Science and Fusion Center del MIT, che sta lavorando con il CFS per sviluppare SPARC. Ma una volta che la tecnologia è provata, dice, "è una fonte di energia inesauribile, senza carbonio, che si può distribuire ovunque e in qualsiasi momento. È davvero una fonte di energia fondamentalmente nuova".
Whyte, che è l'Hitachi America Professor of Engineering, dice che la dimostrazione di questa settimana rappresenta un'importante pietra miliare, affrontando le più grandi domande rimaste sulla fattibilità del progetto SPARC. "È davvero un momento di svolta, credo, nella scienza e nella tecnologia della fusione", dice.
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Il sole in una bottiglia
La fusione è il processo che alimenta il sole: la fusione di due piccoli atomi per farne uno più grande, rilasciando quantità prodigiose di energia. Ma il processo richiede temperature molto più alte di quelle che qualsiasi materiale solido potrebbe sopportare. Per catturare la fonte di energia del sole qui sulla Terra, quello che serve è un modo per catturare e contenere qualcosa di così caldo - 100.000.000 di gradi o più - sospendendolo in modo da evitare che entri in contatto con qualcosa di solido.
Questo viene fatto attraverso intensi campi magnetici, che formano una sorta di bottiglia invisibile per contenere il caldo brodo vorticoso di protoni ed elettroni, chiamato plasma. Poiché le particelle hanno una carica elettrica, sono fortemente controllate dai campi magnetici, e la configurazione più utilizzata per contenerle è un dispositivo a forma di ciambella chiamato tokamak. La maggior parte di questi dispositivi hanno prodotto i loro campi magnetici usando elettromagneti convenzionali fatti di rame, ma l'ultima e più grande versione in costruzione in Francia, chiamata ITER, usa i cosiddetti superconduttori a bassa temperatura.
L'innovazione principale nel progetto di fusione del MIT-CFS è l'uso di superconduttori ad alta temperatura, che permettono un campo magnetico molto più forte in uno spazio minore. Questo progetto è stato reso possibile da un nuovo tipo di materiale superconduttore che è diventato disponibile in commercio qualche anno fa. L'idea è nata inizialmente come un progetto di classe in un corso di ingegneria nucleare tenuto da Whyte. L'idea sembrava così promettente che ha continuato ad essere sviluppata nel corso delle successive iterazioni di quella classe, portando al concetto di progettazione della centrale ARC all'inizio del 2015. SPARC, progettato per essere circa la metà della dimensione di ARC, è un banco di prova per dimostrare il concetto prima della costruzione dell'impianto a grandezza naturale che produce energia.
Fino ad ora, l'unico modo per ottenere i campi magnetici colossalmente potenti necessari per creare una "bottiglia" magnetica in grado di contenere il plasma riscaldato fino a centinaia di milioni di gradi era di renderli sempre più grandi. Ma il nuovo materiale superconduttore ad alta temperatura, realizzato sotto forma di un nastro piatto, simile a un nastro, rende possibile ottenere un campo magnetico più elevato in un dispositivo più piccolo, eguagliando le prestazioni che si otterrebbero in un apparato 40 volte più grande in volume utilizzando magneti superconduttori convenzionali a bassa temperatura. Questo salto di potenza rispetto alle dimensioni è l'elemento chiave del design rivoluzionario di ARC.
L'uso dei nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura rende possibile applicare decenni di conoscenza sperimentale acquisita dal funzionamento degli esperimenti tokamak, compresa la serie Alcator del MIT. Il nuovo approccio, guidato da Zach Hartwig, il ricercatore principale del MIT e il Robert N. Noyce Career Development Assistant Professor of Nuclear Science and Engineering, utilizza un design ben noto, ma ridimensiona tutto a circa la metà della dimensione lineare e raggiunge ancora le stesse condizioni operative a causa del campo magnetico superiore.
Una serie di articoli scientifici pubblicati l'anno scorso ha delineato la base fisica e, tramite simulazione, ha confermato la fattibilità del nuovo dispositivo di fusione. I documenti hanno mostrato che, se i magneti funzionassero come previsto, l'intero sistema di fusione dovrebbe effettivamente produrre energia netta, per la prima volta in decenni di ricerca sulla fusione.
Martin Greenwald, vice direttore e ricercatore senior del PSFC, dice che a differenza di altri progetti per esperimenti di fusione, "la nicchia che stavamo riempiendo era quella di utilizzare la fisica del plasma convenzionale, e i progetti e l'ingegneria dei tokamak convenzionali, ma portandovi questa nuova tecnologia dei magneti. Quindi, non stavamo richiedendo innovazione in una mezza dozzina di aree diverse. Avremmo solo innovato il magnete, e poi applicato la base di conoscenza di ciò che è stato imparato negli ultimi decenni".
Quella combinazione di principi di progettazione scientificamente consolidati e la forza del campo magnetico che cambia il gioco è ciò che rende possibile ottenere un impianto che potrebbe essere economicamente redditizio e sviluppato su una pista veloce. "È un grande momento", dice Bob Mumgaard, CEO di CFS. "Ora abbiamo una piattaforma che è sia scientificamente molto avanzata, a causa dei decenni di ricerca su queste macchine, e anche commercialmente molto interessante. Ciò che fa è che ci permette di costruire dispositivi più veloci, più piccoli e meno costosi", dice del successo della dimostrazione del magnete.
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La prova del concetto
Portare questo nuovo concetto di magnete alla realtà ha richiesto tre anni di lavoro intensivo sulla progettazione, stabilendo catene di approvvigionamento e lavorando su metodi di produzione per magneti che potrebbero alla fine avere bisogno di essere prodotti a migliaia.
"Abbiamo costruito un magnete superconduttore unico nel suo genere. Ha richiesto un sacco di lavoro per creare processi di produzione e attrezzature uniche. Come risultato, ora siamo ben preparati per la produzione di SPARC", dice Joy Dunn, capo delle operazioni al CFS. "Abbiamo iniziato con un modello fisico e un progetto CAD, e abbiamo lavorato attraverso un sacco di sviluppo e prototipi per trasformare un progetto su carta in questo vero magnete fisico". Questo ha comportato la costruzione di capacità di produzione e strutture di test, compreso un processo iterativo con più fornitori del nastro superconduttore, per aiutarli a raggiungere la capacità di produrre materiale che soddisfacesse le specifiche necessarie - e per il quale CFS è ora il più grande utente mondiale.
Hanno lavorato con due possibili disegni di magneti in parallelo, entrambi i quali hanno finito per soddisfare i requisiti di progettazione, dice. "Si trattava di decidere quale dei due avrebbe rivoluzionato il modo di fare magneti superconduttori e quale era più facile da costruire". Il progetto che hanno adottato si è chiaramente distinto in questo senso, dice.
In questo test, il nuovo magnete è stato gradualmente alimentato in una serie di passi fino a raggiungere l'obiettivo di un campo magnetico di 20 tesla - la più alta intensità di campo mai raggiunta da un magnete a fusione superconduttore ad alta temperatura. Il magnete è composto da 16 piastre impilate insieme, ognuna delle quali da sola sarebbe il più potente magnete superconduttore ad alta temperatura del mondo.
"Tre anni fa abbiamo annunciato un piano", dice Mumgaard, "per costruire un magnete da 20 tesla, che è quello di cui avremo bisogno per le future macchine a fusione". Quell'obiettivo è stato raggiunto, in perfetto orario, anche con la pandemia, dice.
Citando la serie di articoli di fisica pubblicati l'anno scorso, Brandon Sorbom, il chief science officer del CFS, dice "fondamentalmente gli articoli concludono che se costruiamo il magnete, tutta la fisica funzionerà in SPARC. Quindi, questa dimostrazione risponde alla domanda: Possono costruire il magnete? È un momento molto emozionante! È un'enorme pietra miliare".
Il prossimo passo sarà la costruzione di SPARC, una versione in scala ridotta della prevista centrale ARC. Il successo del funzionamento di SPARC dimostrerà che una centrale a fusione commerciale su larga scala è pratica, spianando la strada per una rapida progettazione e costruzione di quel dispositivo pionieristico che potrà poi procedere a tutta velocità.
Zuber dice che "ora sono sinceramente ottimista che SPARC possa raggiungere un'energia netta positiva, sulla base delle prestazioni dimostrate dei magneti. Il prossimo passo è quello di scalare, per costruire una vera e propria centrale elettrica. Ci sono ancora molte sfide da affrontare, non ultima delle quali è lo sviluppo di un design che permetta un funzionamento affidabile e duraturo. E rendendosi conto che l'obiettivo qui è la commercializzazione, un'altra grande sfida sarà economica. Come si fa a progettare queste centrali in modo che sia conveniente costruirle e distribuirle?
Un giorno, in un futuro sperato, quando ci potrebbero essere migliaia di centrali a fusione che alimentano reti elettriche pulite in tutto il mondo, Zuber dice: "Penso che ci guarderemo indietro e penseremo a come ci siamo arrivati, e penso che la dimostrazione della tecnologia del magnete, per me, è il momento in cui ho creduto che, wow, possiamo davvero farlo".
La creazione di un dispositivo di fusione che produca energia sarebbe un enorme risultato scientifico, nota Zuber. Ma non è questo il punto principale. "Nessuno di noi sta cercando di vincere trofei a questo punto. Stiamo cercando di mantenere il pianeta vivibile".
https://news.mit.edu/2021/MIT-CFS-major-advance-toward-fusion-energy-0908
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