Plasma Stellare: Viaggio nell’Heliotron J e il Mistero dei “Proiettili” di Ghiaccio!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi dell’universo! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, nel cuore pulsante di un esperimento che potrebbe letteralmente cambiare il nostro futuro energetico. Parliamo di fusione nucleare, quella reazione che alimenta il Sole e le stelle, e di come stiamo cercando di ricrearla qui sulla Terra. Nello specifico, vi racconto cosa succede quando “spariamo” dei piccoli proiettili di idrogeno ghiacciato, chiamati pellet, dentro a un plasma incandescente confinato in una macchina pazzesca chiamata Heliotron J.

Immaginatevi un gas talmente caldo da aver perso i suoi elettroni, diventando un brodo di ioni ed elettroni: quello è il plasma. Per ottenere la fusione, dobbiamo portarlo a temperature e densità stellari. Una delle sfide è come “alimentare” questo mostro energetico. Ed è qui che entrano in gioco i pellet. L’idea è semplice: iniettare combustibile fresco direttamente nel cuore del plasma. Ma, come spesso accade nella scienza, le cose non sono mai così lineari!

Un “Rifornimento” Esplosivo: Cosa Succede Davvero?

Quando un pellet di idrogeno congelato, sparato ad alta velocità (parliamo di 200-300 metri al secondo!), entra nel plasma, non è che semplicemente si scioglie e aggiunge particelle in modo tranquillo. No, il plasma reagisce in modi sorprendenti! Nel nostro esperimento sull’Heliotron J, abbiamo osservato che il plasma non risponde in maniera “adiabatica”, cioè mantenendo costante la sua energia immagazzinata. Anzi, succede qualcosa di molto più interessante.

Inizialmente, come ci si potrebbe aspettare, la densità del plasma schizza alle stelle. Pensate, da circa 0.2 x 10¹⁹ particelle per metro cubo a ben 2.4 x 10¹⁹! Questo è in linea con la quantità di atomi di idrogeno contenuti nel pellet. Contemporaneamente, però, l’energia immagazzinata nel plasma, che misuriamo con uno strumento chiamato loop diamagnetico, subisce un calo. Questo è dovuto in parte a un aumento delle perdite per radiazione (il plasma “perde” energia emettendo luce) e in parte al fatto che il centro del plasma diventa così denso da “tagliare fuori” il riscaldamento a microonde (ECRH) che usiamo per tenerlo caldo. Immaginate di provare a scaldare una zuppa densissima con un fiammifero: non funziona molto bene al centro!

Ma la vera magia avviene circa 10 millisecondi dopo che il pellet si è completamente “ablato” (cioè consumato). L’energia immagazzinata aumenta improvvisamente! Questo fenomeno, che chiamiamo “reheat mode” (modalità di riscaldamento), è una specie di rinascita del plasma. È come se, dopo lo shock iniziale, il plasma trovasse un nuovo equilibrio, addirittura migliore del precedente in termini di confinamento dell’energia. E non è una cosa da poco: un miglior confinamento significa che riusciamo a tenere il plasma caldo e denso più a lungo e con meno sforzo, un passo cruciale verso la fusione commerciale.

Contrazione, Espansione e Danze Magnetiche

Quello che abbiamo scoperto è che questo processo di “reheat” non è solo un semplice aumento di temperatura. Il plasma subisce una vera e propria riconfigurazione spaziale. Possiamo dividerla in tre fasi principali:

• Fase di Contrazione (Shrinking Phase): Subito dopo l’iniezione del pellet, il plasma sembra “restringersi”. La pressione degli elettroni diminuisce nelle regioni periferiche, come se il plasma si ritirasse verso il centro. Questo dura circa 8 millisecondi. Le impurità presenti nel plasma, come carbonio e ossigeno, che prima erano ionizzate (cioè avevano perso elettroni a causa dell’alta temperatura), ora si ricombinano, tornando a stati di ionizzazione inferiori a causa del calo di temperatura e dell’aumento di densità al centro.
• Fase di Espansione (Expansion Phase): Improvvisamente, la struttura della radiazione emessa dal plasma cambia. Il picco di radiazione si sposta verso la periferia, le impurità iniziano a ionizzarsi di nuovo e l’energia immagazzinata comincia a salire. È come se il plasma, dopo essersi contratto, si “gonfiasse” di nuovo, ma in modo più efficiente. Questa fase dura altri 8 millisecondi.
• Fase di Saturazione (Saturation Phase): L’espansione si ferma, bruscamente interrotta da un aumento delle fluttuazioni magnetiche. L’energia immagazzinata e le fluttuazioni magnetiche si stabilizzano. È in questa fase che raggiungiamo il massimo dell’energia immagazzinata. Sembra che si crei un equilibrio tra la potenza che immettiamo e le perdite dovute a queste turbolenze magnetiche.

La cosa affascinante è che non solo il profilo del plasma (cioè come densità e temperatura sono distribuite al suo interno) cambia, ma anche la struttura delle linee di campo magnetico nella regione del divertore. Il divertore è una specie di “tubo di scarico” per il plasma, dove vengono convogliate le particelle e il calore in eccesso. Abbiamo osservato che il punto in cui le linee di campo magnetico colpiscono le piastre del divertore si sposta! Durante la fase di contrazione, il picco di corrente ionica (che ci dice dove “atterra” il plasma) si trova in una certa posizione. Ma quando il plasma entra nella fase di saturazione, questo picco si sposta rapidamente di circa 5 centimetri. Questo suggerisce una modifica significativa della configurazione magnetica, un cambiamento che normalmente richiederebbe correnti nel plasma molto più intense di quelle che abbiamo misurato.

Misteri e Prospettive Future

Certo, non abbiamo ancora svelato tutti i segreti. Ad esempio, la relazione causale esatta tra questa riconfigurazione e l’aumento dell’energia immagazzinata non è ancora del tutto chiara. Potrebbe essere che i cambiamenti nella configurazione magnetica ai bordi del plasma, come osservato in altri esperimenti simili (ad esempio nel Large Helical Device, LHD, in Giappone), contribuiscano a questo miglioramento. Infatti, quando la struttura del campo magnetico “torna indietro” alla fine della fase di espansione, l’aumento di energia si ferma.

Un altro aspetto interessante riguarda la turbolenza. Le fluttuazioni elettromagnetiche, che scompaiono durante la contrazione, rimangono basse durante l’espansione. Sembra che il trasporto turbolento, che è una delle principali cause di perdita di energia nel plasma, sia minimizzato durante la fase di espansione grazie a questa riconfigurazione dei profili. La “collisionalità” (quanto spesso le particelle si scontrano) gioca un ruolo complesso: aumenta nella fase di contrazione e poi diminuisce. Potrebbe esistere un livello ottimale di collisionalità che minimizza il trasporto totale, sia quello turbolento che quello “neoclassico” (legato alla geometria del campo magnetico).

Quello che abbiamo osservato in Heliotron J ha delle somiglianze con fenomeni come il “thermal quench” (spegnimento termico) e la “reignition” (riaccensione) visti in altri dispositivi come W7-X, LHD e TJ-II. Tuttavia, nel nostro caso, lo stato del plasma dopo la riconfigurazione è diverso da quello prima dell’iniezione del pellet: il profilo di pressione degli elettroni è simile, ma il gradiente di densità è maggiore rispetto a quello di temperatura, e anche il profilo di radiazione è differente. Questo suggerisce che non si tratta di una semplice riaccensione, ma di una vera e propria trasformazione verso uno stato nuovo e potenzialmente più performante.

In sintesi, l’iniezione di pellet nell’Heliotron J non è un semplice “rabbocco di carburante”. È un evento che scatena una complessa danza di contrazione, espansione e riconfigurazione magnetica, portando a un miglioramento del confinamento dell’energia. Capire a fondo questi processi spontanei di auto-organizzazione del plasma è fondamentale. Ci aiuta non solo a comprendere meglio la fisica complessa che governa queste “stelle in bottiglia”, ma anche a sviluppare scenari operativi ottimizzati per i futuri reattori a fusione, quelli che, speriamo, un giorno ci forniranno energia pulita e abbondante.

È un campo di ricerca elettrizzante, non trovate? Ogni piccolo passo avanti ci avvicina a un sogno grandioso. E io sono entusiasta di far parte di questa avventura!

Fonte: Springer