JET - Joint European Torus

[ChristinaAemiliana]

Vi propongo il sito ufficiale del JET, l'esperimento che ha portato la Fusione fino ai livelli attualmente raggiunti:

http://www.jet.efda.org/index.html

Non avevo mai aperto thread specifici su JET e ITER perché ritenevo la cosa superflua e ridondante se inserita nel vecchio OT, ma ora che abbiamo una sezione dedicata alla scienza si può anche fare!

La sezione "Fusion Basics" è fortemente raccomandata, sia a chi si avvicina alla fusione per la prima volta sia come ripasso per chi già si è sorbito qualche mio thread!

Per qualsiasi domanda io sono qui.

Vi lascio con uno scritto di Hannes Alfvén che mi è piaciuto moltissimo. L'ho ritrovato navigando sul sito che vi ho linkato lassù. Il professor Hannes Alfvén è stato premio Nobel per la Fisica nel 1970 e ci ha lasciato dei superbi studi sui plasmi e in particolare sul modello MHD che è il modello più semplice della fisica dei plasmi, fondamentale nello studio della stabilità. Oggi le onde nel plasma vengono chiamate in suo onore onde di Alfvén.

"It was the wonders of the night sky, observed by Indians, Sumerians or Egyptians, that started science several thousand years ago. It was the question why the wanderers - the planets - moved as they did that triggered off the scientific avalanche several hundred years ago. The same objects are now again in the center of science - only the questions we ask are different. We now ask how to go there, and we also ask how these bodies once were formed. And if the night sky on which we observe them is at a high latitude, outside this lecture hall - perhaps over a small island in the archipelago of Stockholm - we may also see in the sky an aurora, which is a cosmic plasma, reminding us of the time when our world was born out of plasma. Because in the beginning was the plasma."

Hannes Alfvén in his Nobel Lecture on December 11, 1970 in Stockholm

[ChristinaAemiliana]

Approfitto di questo thread perché devo una risposta a Spike (spero che lui sia in ascolto! ) dai tempi del thread più teorico sulla fusione. La domanda a cui devo rispondere è: "Perché i tokamak funzionano in modo pulsato e non hanno un funzionamento continuo nel tempo?"

A questa domanda posso rispondere prendendo a esempio il tokamak per eccellenza: il JET.

In particolare osserviamo uno spaccato dei magneti del JET.



Prima di tutto un ripasso di nomenclatura. Il JET, come tutti i tokamak e quasi tutte le macchine per la fusione a confinamento magnetico, ha una geometria toroidale, vale a dire che ha la forma di una ciambella, chiamata appunto "toro". Il toro ha due direzioni principali: la direzione toroidale, lungo la circonferenza maggiore, e quella poloidale, lungo la circonferenza minore, come potete vedere da questa immagine:



Possiamo considerare queste direzioni un po' come delle coordinate intrinseche caratteristiche della geometria toroidale.

Torniamo ora ai magneti. Il JET ha tre classi di magneti:

• TFC (Toroidal Field Coils)
  Sono i magneti che generano il campo magnetico toroidale, che è il principale campo magnetico di un tokamak e serve a confinare il plasma. Come sappiamo dalla fisica, un campo magnetico viene generato da una corrente in modo tale che risulti ad essa concatenato. Ad esempio un filo percorso da corrente genera un campo magnetico le cui linee di forza sono circonferenze per il cui centro passa il filo. Viceversa, se prendo un filo elettrico e lo avvolgo strettamente su un cilindro in modo tale da formare tante circonferenze affiancate, avrò un campo magnetico sull'asse del cilindro, dove idealmente si collocano i centri di tutte queste circonferenze. Quest'ultimo apparato, un filo elettrico avvolto su un cilindro, si chiama "solenoide". Ma allora è semplice immaginare come si può fare a generare un campo magnetico toroidale: basta far sì che la ciambella, il toro insomma, diventi una sorta di solenoide, avvolgendole tutto intorno un filo percorso da corrente. Il risultato sarà un campo magnetico toroidale, che nella figura è indicato dalla freccia gialla, oltre che naturalmente dalla dicitura "Toroidal Field".
  Ora però si pone un problema. Non posso certo pensare di avvolgere un filo tutto intorno alla ciambella e poi, dato l'ultimo giro, salutare il plasma per sempre! Ho bisogno di avere accesso alla camera interna dove si trova il plasma. Allora non farò un avvolgimento continuo ma disporrò lungo la direzione poloidale un certo numero di "spicchi" di filo avvolto, e altrove lascerò la camera scoperta in modo da potervi accedere. Questi "spicchi" costituiscono i magneti del campo toroidale e sono anche loro evidenziati in giallo. Nella figura sono rappresentati solo quattro magneti, ma in realtà ce ne sono ben otto.
  
• CS (Central Solenoid)
  Il solenoide centrale, che vedete disegnato in azzurro, nella nostra figura è poco felicemente chiamato "Inner Poloidal Field Coils", scelta assai opinabile perché genera confusione visto che esistono anche altri magneti del campo poloidale, nella figura chiamati "Outer Poloidal Field Coils". Io continuerò a chiamarlo solenoide centrale come è pratica comune.
  
  Cosa sia un solenoide l'abbiamo appena ricordato, quindi sappiamo che genera un campo magnetico le cui linee di campo passano al suo interno. Ma il campo magnetico, si sa dalla fisica, non può avere linee di campo aperte, quindi queste linee che passano dritte dentro al solenoide centrale si chiuderanno poi all'esterno, con un percorso simile a quella grossa struttura arancione disegnata in figura e indicata con "Magnetic Circuit (inner transformer core)". Di quelle strutture, che sono di metallo, ce ne sono parecchie tutte intorno alla ciambella, e il loro scopo è appunto quello di farci passare dentro il campo magnetico così come in un filo elettrico passa la corrente.
  
  Ma se una corrente genera un campo magnetico, è vero anche il viceversa: un campo magnetico genera una corrente, sempre in modo che siano l'uno all'altra concatenati. Allora è immediato scoprire che un campo magnetico messo tutto intorno alla ciambella genererà una corrente in direzione toroidale, che passerà quindi dentro alla ciambella stessa. Questa corrente si chiama corrente di plasma ed è mostruosamente grande: pensate che arriva alla decina di MA, cioè ai 10 milioni di A, mentre le normali correnti domestiche sono dell'ordine di qualche A!
  
  Ultimo passo: la corrente di plasma, a sua volta, genererà nel solito modo un campo magnetico. Questo campo magnetico ovviamente si avvolgerà intorno alla corrente e quindi sarà posto poloidalmente. Lo vediamo indicato come "Poloidal Field" e disegnato in violetto (in realtà dovrebbe essere azzurrino come il solenoide centrale ma sopra è stato colorato di rosa il plasma). Il campo poloidale è di un ordine di grandezza più piccolo del campo toroidale, ma è essenziale per la stabilità del plasma.
  
  Chi ha dimestichezza con l'elettrotecnica noterà che questo funzionamento è perfettamente analogo a quello di un trasformatore il cui primario è il solenoide centrale e il cui secondario, a una sola spira, è rappresentato dal plasma stesso.
  
• PFC (Poloidal Field Coils)
  I magneti del campo poloidale sono indicati in verde come "Outer Poloidal Field Coils". Generano anch'essi un campo in direzione poloidale, diverso dal precedente, che serve per l'equilibrio della colonna di plasma.
  
  Ciò che si indica comunemente con "campo poloidale", cmq, è quello generato dal solenoide centrale. Componendo i due campi toridale e poloidale si ottengono linee di campo elicoidali, mostrate in figura, che si avvolgono sulla supoerficie della ciambella e su tutte le superfici toroidali concentriche in essa annidate, dette superfici magnetiche (vedere seconda figura).

E adesso, per rispondere alla domanda iniziale, pensiamo alla corrente di plasma. Il plasma, ovviamente, ha una sua resistività, visto che non è certo un superconduttore! Allora questa corrente, passando nel plasma, lo riscalderà ohmicamente per effetto Joule, esattamente come si scaldano le resistenze di un forno o di una stufetta elettrici. Il riscaldamento ohmico è stato da sempre, visto che era già lì pronto dopo aver sistemato i magneti e intrinseco alla configurazione, il principale metodo di riscaldamento del plasma, perciò tutti gli altri metodi sono andati, man mano che venivano proposti, sotto il nome di "riscaldamenti addizionali". Di per sè il riscaldamento ohmico non basta, perché la resistività del plasma stranamente diminuisce se aumenta la temperatura, quindi succede che a un certo punto il plasma è così caldo che la sua resistività è diventata troppo piccola per tirarne fuori una potenza Joule sufficiente a scaldarlo ancora, quindi bisogna proseguire con altri metodi. Anche per questo motivo si parla di "riscaldamento addizionale": prima si lavorava con quello ohmico, poi si aggiungeva il resto quando il primo non bastava più. Ma c'è un problema. La corrente di plasma viene generata scaricando un banco di condensatori, quindi è pulsata: un riscaldamento siffatto, pertanto, non è adatto a far funzionare il tokamak in maniera continua, visto che non si può pensare a generare in continua una corrente di 20 MA.

In definitiva, allora, ecco perché i tokamak hanno un funzionamento pulsato. Si può convertirli a un funzionamento continuo? Certo, ma a patto di abbandonare il riscaldamento ohmico in favore di quelli finora usati come addizionali. Recentemente al JET è stata montata un'antenna che riscalda il plasma emettendo a una frequenza detta frequenza di ciclotrone ionica. Questo tipo di riscaldamento è quello che si pensa di utilizzare per ITER e va sotto il nome di riscaldamento a radiofrequenza (RF Heating) e in particolare di ICRH (Ion Cyclotron Resonance Heating).

[senzasoldi]

Complimenti !! Molto interessante.

[Spike]

Capito, quindi funziona in modo pulsato solo per una questione tecnica. Ma ipotizzando un autosostenimento del reattore sarebbe possibile utilizzare il riscaldamento ohmico in modo continuo oppure l'assorbimento di energia sarebbe ancora troppo?

Da quello che hai accennato sui riscaldamenti alternativi credo di aver capito che si emettano delle onde che mandino in risonanza gli atomi del plasma, è corretto? Una specie di forno a microonde?

[Banus]

Interessante

La superconduttività allora è indispensabile perchè altrimenti il 99% della potenza andrebbe a contribuire al riscaldamento ohmico dei solenoidi

Da quello che ho capito il funzionamento pulsante sfrutta il transitorio di riscaldamento, cioè trasferisce rapidamente energia al plasma prima che si stabilizzi in uno stato a resistività più bassa... cioè ho capito che con un funzionamento pulsante non è necessario il riscaldamento addizzionale.
Certo che caricare condensatori per 10 MA a impulso è una bella impresa... soprattutto non mi immagino i fili che devono sopportare una corrente simile.

Il riscaldamento del plasma sfruttando la frequenza di ciclotrone se non mi sbaglio è lo stesso meccanismo che porta al riscaldamento (e alla produzione di luce) delle nebulose vicine a stelle particolarmente luminose. In quel caso raggiungono anche il milione di gradi...

[evelon]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana
La sezione "Fusion Basics" è fortemente raccomandata, sia a chi si avvicina alla fusione per la prima volta..

Insomma chiunque desideri costruirsi il proprio tokamak in cantina

Tra l'altro suggerisco di recarsi all'Ikea dove hanno recentemente proposto un toro in legno molto ben lavorato con già i fori di fissaggio dei solenoidi e le relative viti.

Ottimo per il bricolage !!


Dunque dunque: dato che il breckeven è stato già superato perchè non si usa parte della potenza ridondante per il riscaldamento addizionale ?

Energeticamente dovrebbe essere fattibile ma non sono a conoscenza dei motivi tecnologici che lo impediscono.

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da Spike
Capito, quindi funziona in modo pulsato solo per una questione tecnica. Ma ipotizzando un autosostenimento del reattore sarebbe possibile utilizzare il riscaldamento ohmico in modo continuo oppure l'assorbimento di energia sarebbe ancora troppo?

Si pensano entrambe le cose. O si farà funzionare il reattore in modo pulsato, ossia si parte con il riscaldamento ohmico e poi si aggiungono gli altri e si fa una scarica di qualche secondo dopodiché si ricomincia da capo, oppure si usa il riscaldamento ohmico come starter e poi si prosegue decisamente con quelli addizionali. La seconda strada sarebbe preferibile e oggi, dato che tutto sommato gli esperimenti con gli altri metodi di riscaldamento sono andati benone, si preferisce questa alternativa. Ma finché non sarà possibile fare esperimenti su qualcosa di più simile a un reattore completo (sto parlando di ITER, ovviamente) non si deciderà.

Autosostentamento del reattore? La famosa ignizione, che in realtà non ci serve raggiungere. Naturalmente se si raggiungesse la condizione di ignizione non sarebbe più necessario alcun riscaldamento, nemmeno quello ohmico. Ma perché pretendere di non dover inserire più energia dall'esterno? Sarebbe come volere una centrale tradizionale in cui metti la prima carica di olio combustibile o di carbone e poi più niente! Basta e avanza che l'energia immessa si moltiplichi di un fattore 10, 20, 50!

Da quello che hai accennato sui riscaldamenti alternativi credo di aver capito che si emettano delle onde che mandino in risonanza gli atomi del plasma, è corretto? Una specie di forno a microonde?

Sì, qualcosa di simile. L'idea alla base è proprio quella di immettere particolari frequenze lavorando sulle risonanze.

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da Banus
Da quello che ho capito il funzionamento pulsante sfrutta il transitorio di riscaldamento, cioè trasferisce rapidamente energia al plasma prima che si stabilizzi in uno stato a resistività più bassa... cioè ho capito che con un funzionamento pulsante non è necessario il riscaldamento addizzionale.

No, è necessario comunque. O meglio, certi esperimenti possono essere fatti anche solo con il riscaldamento ohmico, ma ovviamente si è scelto di lavorare in condizioni più simili possibile a quelle del futuro reattore. I primi test di riscaldamento addizionale risalgono agli anni '80!

[ChristinaAemiliana]

Originariamente inviato da evelon
Insomma chiunque desideri costruirsi il proprio tokamak in cantina

Tra l'altro suggerisco di recarsi all'Ikea dove hanno recentemente proposto un toro in legno molto ben lavorato con già i fori di fissaggio dei solenoidi e le relative viti.

Ottimo per il bricolage !!


Dunque dunque: dato che il breckeven è stato già superato perchè non si usa parte della potenza ridondante per il riscaldamento addizionale ?

Energeticamente dovrebbe essere fattibile ma non sono a conoscenza dei motivi tecnologici che lo impediscono.

Beh, il "pareggio" è una condizione di "tanto immetto, tanto tiro fuori"...è ancora poco per pensare a farci su una retroazione! Cmq anche se avessimo raggiunto un'amplificazione di un fattore 4 o 5 (fantascienza, eh...il JET ha già fatto il miracolo a raggiungere il breakeven! ) non sarebbe stato fattibile trasferire questa energia ai sistemi di riscaldamento, semplicemente perché il JET non ha i componenti che permettono di raccogliere l'energia prodotta. Ci sarebbe voluto un blanket, il mantello esterno in cui rallentano i neutroni trasformando la loro energia cinetica in energia termica, poi un fluido termovettore che lambisse il blanket asportando il calore e infine una turbina che trasformasse quest'energia raccolta in energia meccanica, la quale poi avrebbe azionato un alternatore diventando enrgia elettrica!

[evelon]

Originariamente inviato da ChristinaAemiliana
Beh, il "pareggio" è una condizione di "tanto immetto, tanto tiro fuori"...è ancora poco per pensare a farci su una retroazione! Cmq anche se avessimo raggiunto un'amplificazione di un fattore 4 o 5 (fantascienza, eh...il JET ha già fatto il miracolo a raggiungere il breakeven! ) non sarebbe stato fattibile trasferire questa energia ai sistemi di riscaldamento, semplicemente perché il JET non ha i componenti che permettono di raccogliere l'energia prodotta. Ci sarebbe voluto un blanket, il mantello esterno in cui rallentano i neutroni trasformando la loro energia cinetica in energia termica, poi un fluido termovettore che lambisse il blanket asportando il calore e infine una turbina che trasformasse quest'energia raccolta in energia meccanica, la quale poi avrebbe azionato un alternatore diventando enrgia elettrica!

Ok, ma quindi non è nemmeno un problema tecnologico ma "solo" progettuale.

Progettando opportunamente un toro penso sarebbe possibile usare l'eccesso di potenza in uscita per il riscaldamento addizionale.

In effetti la soluzione blanket + fluido + turbogeneratore è la prima che viene in mente anche a me ma vedo molti (troppi) passaggi termodinamici per renderlo efficente soprattutto in considerazione della potenza che dovrebbe essere necessaria in entrata (dal blanket) per garantire l'opportuna potenza in uscita dal generatore.

In ogni caso ipotizzando un sistema più efficente di trasferimento d'energia si potrebbe pensare ad un funzionamento in modo non-pulsato (che è diverso dal continuativo) con maggiore efficenza del tutto.

beh...mi rendo conto che ci vorranno parecchi anni per cose del genere...