Un rivoluzionario reattore a fusione nucleare sta per essere acceso

Si chiama Wendelstein 7-X ed è una macchina da un miliardo di euro che promette di segnare una svolta nel nostro lungo cammino verso l'energia di fusione, ossia l'energia generata attraverso reazioni di fusione nucleare come quelle all'opera nel cuore del Sole. Con il suo massiccio scheletro di metallo, gli innumerevoli cavi che vanno verso destinazioni ignote e le decine di magneti tutti diversi tra loro, come forgiati da un pazzo, Wendelstein 7-X è stata definita "la macchina progettata nell'inferno".

Wendelstein 7-X (W7-X) è un prototipo di reattore a fusione nucleare noto come stellarator. Gli stellarator, almeno sulla carta, avevano acquisito popolarità tra gli anni '50 e '60 dello scorso secolo, per poi essere soppiantati dai tokamak, reattori a forma di ciambella che intrappolano gas ionizzati detti plasma in campi magnetici e li riscaldano a temperature estreme, necessarie a permettere la fusione dei nuclei di idrogeno. Tutto sembrava andare a favore dei tokamak: la loro struttura simmetrica e modulare li rendeva facili da costruire e ottimi a intrappolare il plasma e a mantenerlo alla temperatura richiesta. Tuttavia, a partire dagli anni '90, gli ingegneri incominciarono a trovare sempre più falle nei loro progetti, come disturbi magnetici potenzialmente in grado di piegare la struttura metallica, spingendo alcuni a rivalutare l'idea di costruire un tokamak e a riprendere in considerazione gli stellarator.

E così, eccoci arrivati a Greifswald, una piccola città tedesca affacciata sul Mar Baltico popolata da 55 mila persone e dal primo stellarator a dimensioni reali mai costruito, assemblato in 1.1 milioni di ore lavorative. Gli ingegneri del Max Planck Institute for Plasma Physics lo accenderanno per la prima volta a Novembre, sotto gli occhi dei ricercatori di tutto il mondo. Se Wendelstein 7-X riuscirà a superare le prestazioni di un tokamak di simili dimensioni, potrebbe segnare una svolta a favore dei stellarator.

Il principio alla base degli stellarator è simile a quello dei tokamak, con la differenza che, una volta accesi, gli stellarator continuano a operare da soli. Come i tokamak, gli stellarator devono intrappolare il plasma riscaldato a più di 100 milioni di gradi centigradi, sette volte la temperatura nel nucleo del Sole. A temperature così elevate, gli atomi si ionizzano (ovvero perdono elettroni, acquisendo una carica elettrica), creando un plasma di elettroni e ioni. Gli ioni viaggiano a velocità sufficienti a soffocare la repulsione elettrostatica reciproca (normalmente, atomi della stessa carica tendono ad allontanarsi l'uno dall'altro), consentendoli di fondersi.

Il plasma è intrappolato in una gabbia magnetica: una serie di cavi portatori di corrente creano un campo magnetico al centro del tubo che tiene il plasma lontano dalle pareti del tubo. Per evitare che le particelle scappino alle estremità del tubo, i tokamak hanno una forma toroidale, cioè a ciambella, creando così un percorso senza fine. 

Tuttavia, la forma toroidale introduce un nuovo problema: dato che i cavi sono più vicini tra loro lungo la parete interna della ciambella, il campo magnetico risulta spostato verso l'interno, portando le particelle a scontrarsi contro le pareti. La soluzione è forzare le particelle attraverso regioni ad alti e bassi campi magnetici, in modo che la deriva delle particelle punti prima verso l'interno e poi verso l'esterno, compensando ed annullando l'effetto.

Nei tokamak, questa soluzione è implementata dall'interno: usando una specie di trasformatore elettrico per indurre gli elettroni e gli ioni a fluire nel tubo come una corrente elettrica, si crea un campo magnetico a spirale verticale che, aggiunto al campo magnetico già presente lungo il tubo, crea l'effetto desiderato.

Gli stellarator, al contrario, impongono questa soluzione dall'esterno, usando un numero maggiore di cavi elettrici attorno a un toro (toroide) convenzionale e creando così un campo magnetico che si avvolge su se stesso più volte.

Entrambe le soluzioni funzionano, ma in genere i tokamak riescono a trattenere le particelle più efficacemente, grazie al loro percorso più lineare e meno tortuoso. Negli stellarator, molte particelle si perdono nelle varie increspature. Tuttavia, i tokamak hanno una serie di problemi tutti loro: innanzitutto, i trasformatori possono controllare una corrente nel plasma solo tramite brevi pulsazioni, e la corrente ogni tanto può indebolirsi inaspettatamente, portando a improvvise perdite dell'imprigionamento del plasma che possono danneggiare il reattore stesso. Nessuno di questi problemi è finora stato osservato in uno stellarator. I cavi esterni non devono essere pulsati, né la corrente nel plasma rischia di indebolirsi senza preavviso, dato che non c'è proprio.

Ma Wendelstein 7-X è ancora più avanzato, tanto che gli ingegneri lo hanno definito il primo "stellarator ottimizzato" costruito nelle sue dimensioni complete. Usando un campo magnetico a intensità costante ma a direzione variabile, si crea un campo quasi-simmetrico che riesce ad intrappolare le particelle in maniera soddisfacente. Per costruirlo, gli ingegneri hanno prima definito la forma del campo magnetico e poi si sono rivolti a un supercomputer per disegnare dei magneti in grado di generare il campo desiderato.

Il primo stellarator parzialmente ottimizzato è stato Wendelstein 7-AS, che ha operato tra il 1988 e il 2002, infrangendo tutti i record dell'epoca e spianando la strada a W7-X. Il primo stellarator completamente ottimizzato è stato il piccolo Helically Symmetric Experiment (HSX), costruito nel 1999 all'UW Madison.

Visti i successi di HSX e W7-AS, gli ingegneri hanno incominciato a pensare in grado. Nel 2004, i ricercatori statunitensi del Princeton Plasma Physics Lab inaugurarono la costruzione di quello che sarebbe dovuto essere il primo stellarator ottimizzato a dimensioni naturali. Ma nel 2008, con l'80% dei componenti già costruiti o acquistati, il Dipartimento di Energia abbandonò il progetto, vista la sua eccessiva complessità.

Anche la costruzione di W7-X, iniziata tra il 1993 e il 1994, non è stata esente da una serie di problemi. La costruzione, che oggi impiega 400 persone, doveva concludersi nel 2006, con un costo di 550 milioni di euro. Nel 2003, un terzo dei magneti dovettero essere rimandati indietro ai fornitori, in quanto le forze a cui sarebbero stati sottoposti erano maggiori di quelle previste. Alcuni fornitori andarono in bancarotta. Poi, nel 2007, il governo concesse un'estensione della costruzione al 2015, con un limite di budget di 1.06 miliardi di euro.

Dopo 1.1 milioni di ore lavorative, W7-X è stato finalmente completato nel Maggio del 2014. Nell'ultimo anno, lo stellarator è stato sottoposto a una serie di test che hanno dimostrato che il campo magnetico corrisponde a quello desiderato. Ora, si tratta solo di premere sull'interruttore e accendere la macchina.

W7-X consiste in 50 magneti superconduttori aplanari contorti, ciascuno alto 3.5 metri e pesante 6 tonnellate e altri 20 magneti superconduttori planari che permettono di regolare con precisione il campo magnetico. Tutti i magneti sono raffreddati a -270 gradi centigradi, tre gradi al di sopra dello zero assoluto, mentre il plasma, distante appena un metro dai magneti, è riscaldato a 100 milioni di gradi centigradi.