E luce fu: osservando esperimenti di fusione Understand article

Tradotto da Daniela Caleppa. Non è facile sapere cosa accade nel centro di un esperimento di fusione a 100 milioni di gradi Celsius, ma ci sono alcune strategie per scoprirlo.

Il Joint European Torus, JET, è il più grande reattore di fusione nucleare al mondo, situato vicino ad Oxford, nel Regno Unito. Come descritto nel precedente articolo (Rüth, 2012), i nostri scienziati stanno sviluppando una fonte di energia pulita per il futuro, che si basa sulla fusione di atomi leggeri in un recipiente toroidale, ossia fatto a forma di ciambella, con un diametro di circa sei metri.

Questo processo non provoca la scissione degli atomi e quindi non vede coinvolto l’uranio, dato che si effettua la fusione di  deuterio e trizio, isotopi dell’idrogeno, nel più pesante elio. Per forzare la fusione atomica è necessaria molta energia, ma il processo di fusione ne rilascia una quantità ancora maggiore.

All’interno dell’esperimento il carburante (solitamente solo il deuterio, in quanto la miscela con il trizio radioattivo è usata solo occasionalmente) è riscaldato, fino a “strappare” gli elettroni dall’attrazione dei propri nuclei. Questo gas ionizzato è denominato plasma e rappresenta l’ambiente ideale per la collisione dei nuclei, indispensabile per la fusione. Il plasma, dieci volte più caldo del nucleo del Sole, corre attraverso il contenitore, girando e rotolando in un’intricata gabbia magnetica costruita dagli scienziati che controllano il macchinario.

Creare una materia così calda è già un ottimo risultato, ma riuscire a mantenerla in uno spazio limitato per un numero significativo di fusioni è ancor più stimolante, sia per la natura estremamente turbolenta del plasma a queste temperature, sia per la sua tendenza a raccogliere tutte le impurità dei componenti interni del contenitore. Abbiamo dovuto quindi sviluppare un sofisticato meccanismo di controllo sia per monitorare ogni aspetto del plasma durante l’operazione e mantenerlo quanto più possibile stabile e pulito sia per porre fine all’esperimento se il gas diviene troppo turbolento (si veda EIROforum, 2012).

Ma come facciamo a sapere cosa accade all’interno di questo contenitore sigillato, a 100 milioni di gradi Celsius? Ogni strumento di misurazione che si tenterebbe di inserire nel plasma verrebbe distrutto, sublimato e trasformato anch’esso in plasma in pochi secondi. Guardare l’esperimento attraverso una finestra sigillata del contenitore è meno istruttivo di quello che si possa pensare, dato che il plasma caldo è pressoché trasparente. Infatti il nucleo del plasma è talmente caldo che tutti gli elettroni sono stati “strappati” dall’attrazione dei propri nuclei, quindi non può avvenire nessuna transizione elettronica, che è fonte di luce visibile.

Esistono però molti altri modi per sapere cosa avviene nel plasma. La nostra conoscenza di questo insieme di particelle che si muovono ad alta velocità si basa su un centinaio di strumenti di diagnosi: videocamere, sensori, rilevatori, laser, cannoni a ioni e bobine, per citarne alcuni. Successivamente prenderemo in esame alcuni di questi sistemi.

Finalmente la fusione! I raggi gamma

Il prodotto principale della reazione di fusione è rappresentato da neutroni veloci. Dopo aver monitorato il numero dei neutroni, eseguiamo controlli incrociati del numero delle reazioni di fusione, misurando il numero di raggi gamma.

Oltre alla reazione principale tra il deuterio e il trizio, durante la fusione nel plasma caldo avvengono molte altre reazioni minori, alcune delle quali lasciano i propri nuclei in uno stato energetico eccitato. Proprio come gli elettroni a livelli energetici eccitati, questi nuclei rilasciano energia in forma di radiazioni elettromagnetiche. Dato che i livelli di energia nucleare sono molto alti, sono rilasciati raggi gamma invece di luce visibile o UV, solitamente emessa  dagli elettroni.

I raggi gamma passano attraverso la maggior parte delle videocamere, quindi occorre un sistema di rivelazione speciale. Il sistema di sperimentazione è circondato da pareti di cemento dello spessore di 2 metri, che servono per contenere le radiazioni. Inoltre, una lunga tubazione canalizza alcune radiazioni attraverso le pareti verso il laboratorio di rivelazione. A questo punto utilizziamo un apparecchio simile ad un contatore Geiger, che genera corrente elettrica quando i raggi gamma passano attraverso una piccola intercapedine, ionizzando il gas contenuto al suo interno. Contiamo gli impulsi elettrici di due apparecchi, uno con una visione verticale dell’intercapedine ed un altro con una visione orizzontale, di modo che essi ci mostrino il numero e la collocazione delle reazioni di fusione verificatesi.

Misurazione della perdita di energia: la bolometria

Per poter ottenere i risultati migliori dalle reazioni di fusione è molto importante il loro “imprigionamento”, che previene la perdita di energia dal plasma. Anche se teniamo le particelle imprigionate, quantità significative di energia possono disperdersi dal plasma nella forma di radiazioni elettromagnetiche. Essendo trasparente, il plasma libera molte radiazioni che non riusciamo a vedere. Per misurare questa perdita di radiazioni, ci occorre uno strumento che, a differenza dei nostri occhi, possa individuare le radiazioni ad ogni lunghezza d’onda. Usiamo quindi un bolometro, uno strumento sorprendentemente semplice che consiste in una piccola striscia di metallo. Radiazioni elettromagnetiche, onde radio, raggi UV o raggi gamma riscaldano il metallo e cambiano la sua resistenza, che può essere quindi facilmente misurata.

Le radiazioni sono principalmente dovute ad impurità nel plasma, la maggior parte delle quali proviene dai muri del contenitore. E’ importante individuare dove vanno a finire le impurità: non è un grosso problema se esse si trovano ai margini del plasma, ma se le impurità si trovassero nel nucleo ridurrebbero l’energia proprio nell’area più importante.

Un singolo bolometro non può distinguere tra radiazioni presenti al centro o ai margini, ma utilizzando un maggior numero di bolometri è possibile elaborare una mappa tridimensionale delle fonti di radiazione. Ciò si ottiene posizionando ogni bolometro dietro ad un paio di forellini, per ridurre la loro visuale. I risultati ottenuti da angolazioni differenti, dal centro o dal margine del plasma, sono sapientemente elaborati per costruirne un’immagine tridimensionale. La costruzione di un’immagine tridimensionale da una serie di misure individuali è simile a quella usata in campo medico nella tomografia computerizzata (TC o CT, dall’inglese computed tomography), in cui viene prodotta un’immagine tridimensionale da una serie di radiografie ottenute da diverse angolazioni.

Alla ricerca delle zone calde: le videocamere

E’ sorprendente pensare che il plasma a più di 100 milioni di gradi Celsius può essere racchiuso in un contenitore di metallo. Eppure i potenti campi magnetici creati dalle bobine attorno al JET riescono, nella maggior parte dei casi, a tenere il plasma lontano dalle pareti del contenitore, alle quali sono state recentemente rinnovate le piastrelle di berillio (metallo con temperatura di fusione di appena 1278 ° C). Uno dei motivi del successo di questo assetto è la gamma di videocamere utilizzate per  assicurarsi che il plasma non si avvicini troppo alle pareti del contenitore.

Capiamo che il plasma si è avvicinato troppo quando rileviamo sulle pareti una zona calda, che emette la cosiddetta radiazione di corpo nero. All’occhio umano la zona calda apparirebbe rossa intorno ai 500° C e arancione intorno ai 1000 ° C. Essa può comunque essere rilevata molto prima, dato che una zona calda emette radiazioni infrarosse non appena assume una temperatura maggiore di ciò che la circonda.

Visto che la maggior parte delle videocamere può rilevare le radiazioni infrarosse (usando quella che è spesso chiamata visione notturna), è stato sviluppato un sistema di protezione che utilizza le videocamere per monitorare  le emissioni di infrarossi delle zone calde. Se inizia a formarsi una zona calda il plasma può essere sistemato, ad esempio o spostando il campo magnetico dalle pareti, oppure diminuendo la potenza per ridurre la temperatura prima che vi siano danni.

Attività di supporto: visualizzare la luce infrarossa

Quasi tutte videocamere (anche quelle presenti nei telefoni cellulari) sono sensibili agli infrarossi. Se si punta la luce di un telecomando verso una videocamera, si potrà vedere la radiazione ad infrarossi che segnala il suo codice speciale associato alla televisione.

La lunghezza d’onda delle radiazioni elettromagnetiche determina la loro capacità di passare attraverso un materiale. Per questo motivo noi abbiamo bisogno di diversi tipi di rivelatore per monitorare le differenti radiazioni emesse dal reattore. Prova, ad esempio, a far passare la luce di una torcia attraverso un bicchiere di cola: la luce visibile della torcia è assorbita dalla bevanda, che rimane marrone. Ora fai passare la luce del telecomando attraverso la cola, utilizzando una videocamera per guardare ciò che accade: la luce rossa attraversa il liquido, senza esserne quasi modificata.

Per saperne di più su EFDA-JET

Come joint venture, il Joint European Torus (JET)^w1 è condiviso da più di 40 laboratori di fusione. L’Accordo Europeo per lo Sviluppo della Fusione (EFDA, dall’inglese European Fusion Development Agreement) permette di utilizzare il reattore JET, al cui programma contribuiscono più di 350 scienziati ed ingegneri da tutta Europa.

EFDA-JET è membro di EIROforum^w2, editore di Science in School.

References

• EIROforum (2012) Bigger, faster, hotter. Science in School 24: 2-5.
• Rüth C (2012) Harnessing the power of the Sun: fusion reactors. Science in School 22: 42-48.

Web References

• w1 – Sono disponibili maggiori informazioni sul sito internet di EFDA-JET.
• w2 –EIROforum è una collaborazione tra le otto maggiori organizzazioni di ricerca scientifica intergovernativa in Europa, che condividono risorse, mezzi ed abilità per sostenere la scienza europea e permetterle di raggiungere il pieno potenziale. Come parte delle proprie attività divulgative ed educazionali, EIROforum pubblica Science in School.

Resources

• Warrick C (2006) Fusion – ace in the energy pack? Science in School 1: 52-55.
• Per un’introduzione allo spettro elettromagnetico ed ai suoi usi in astronomia, si veda:
  • Mignone C, Barnes R (2011) More than meets the eye: the electromagnetic spectrum. Science in School 20: 51-59.

Institutions

Author(s)

Dr Phil Dooley è il responsabile dell’ufficio stampa e formazione dell’ EFDA-JET. Nato a Canberra, in Australia, egli ha ottenuto il dottorato in fisica dei laser all’Australian National University. Per scappare dal mondo accademico, egli ha lavorato nel campo dell’informatica a Rarotonga, nelle Isole di Cook, per 18 mesi, prima di tornare in Australia ed iniziare a lavorare nel campo dello sviluppo e training dei software. Il suo amore per la scienza lo ha riportato alla fisica, ed in particolare a gestire il programma scolastico avanzato dell’Università di Sydney. Nell’ottobre 2011 Phil si è unito al team di EFDA-JET nell’Oxfordshire, in Regno Unito.

Review

Ponendosi come riferimento un articolo precedentemente pubblicato (Rüth, 2012), questo articolo espone chiaramente la funzione di alcuni strumenti usati nella ricerca sulla fusione nucleare. Gli insegnanti potranno utilizzare questo articolo per spiegare come la fusione possa essere monitorata e quali difficoltà e sfide gli scienziati debbano affrontare quando lavorano con temperature così elevate. Alcune domande adatte per la comprensione e la discussione includono:

• Perché la fusione richiede un’elevata quantità di energia?
• Che tipo di materiale è usato per le pareti della struttura? Perché?
• Quali strumenti sono usati per monitorare cosa avviene all’interno del plasma?
• Come fa il plasma ad essere racchiuso tra le pareti del contenitore e ad esserne tenuto a distanza di sicurezza?
• Come si può individuare la perdita di energia?

La discussione con gli studenti può proseguire, ponendo attenzione sull’impatto ambientale, la sostenibilità e l’importanza di questo tipo di esperimenti.

Catherine Cutajar, Malta

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