Tokamak

Iltokamak(acronimo russo per "camera toroidale con spire magnetiche") è unreattore nucleare a fusionedi formatoroidale(a ciambella) in cui unplasma(solitamente diidrogeno) ad altissima temperatura e a bassa pressione viene mantenuto coeso e lontano dalle pareti interne grazie a un campo magnetico generato daelettromagnetiesterni alla camera. In opportune condizioni, è stato dimostrato che è possibile creare al suo interno le condizioni per lafusione termonuclearecontrollata, allo scopo di estrarre l'energia prodotta dalla fusione di nuclei di atomi leggeri. Ottimi risultati sono stati raggiunti con ilJET, e nuovi risultati sono attesi dall'entrata in funzione diITERe SPARC. Richiedendo una quantità di energia enorme per portare il plasma alla temperatura di diverse decine di milioni dikelvine far funzionare gli elettromagneti di confinamento e i sistemi ausiliari al reattore, rimane ancora da dimostrare la capacità di un eventuale impianto di produrre più energia elettrica di quanta ne consumi per questo reattore.
La configurazione magnetica nota come 'tokamak' è il risultato delle ricerche condotte nel1950dagli scienziati sovieticiAndrej SacharoveIgor' Tamm, anche se il nome più precisamente risale al1957. Nell'ottobre 1950 essi completarono le prime valutazioni dei parametri necessari per unreattore nucleare a fusione:Igor' Kurčatovquindi li appoggiò quando, nel1951,Stalindecise l'inizio degli studi sulla fusione nucleare inUnione Sovietica. L'idea base del Tokamak era infatti quella di confinare ungasad altatemperatura, completamente ionizzato (allo stato diplasma), concampi elettromagnetici, per ottenereenergiadalla fusione nucleare controllata.
In Occidente questa configurazione era ignota, in quanto le ricerche sulla fusione erano tenute segrete: nello stesso periodo, negliStati UnitiLyman Spitzer, ai laboratori diPrinceton, inNew Jersey, studiava la configurazione nota comestellarator. Fu solo nel1955che gli Stati Uniti, allaConferenza internazionale sull'uso pacifico dell'energia atomicaaGinevra, scoprirono l'esistenza del tokamak, e solo alla Seconda conferenza di Ginevra (1958) furono resi noti i dettagli di come costruire una macchina basandosi sul principio del tokamak.
Nel 1968, alla terzaIAEA(Conferenza internazionale sull'uso e controllo del plasma e della fusione nucleare) aNovosibirsk, gli scienziatisovieticiresero noto di avere raggiunto una temperatura degli elettroni di oltre 1 000 eV in un tokamak (1elettronvoltequivale a 11 605kelvin). Questo sbaragliò gli scienziatibritannicieamericani, che erano lontani dal raggiungere tali prestazioni. In Occidente gli scienziati rimasero sospettosi finché i test furono effettuati con il laser, confermando la temperatura effettivamente raggiunta dai sovietici.
Poiché tali prestazioni erano superiori a quelle ottenute fino ad allora, gli scienziati continuarono i test sulla fusione utilizzando il tokamak, anche se configurazioni alternative (come lo stellarator) sono ancora oggetto di studio. Il tokamak è infatti considerato come una delle più promettenti vie per generare energia tramite fusione nucleare: alcuni fra i più grandi esperimenti di fusione, come ilJETnel Regno Unito,ASDEXin Germania,JT-60in Giappone,TFTReDIII-Din USA sono dei tokamak. Erano dei tokamak anche esperimenti importanti ora chiusi, come  FTU a Frascati eAlcator C-modin USA. Sono infine dei tokamak l'ambizioso progetto di proto-reattore nucleare a fusioneITER, la cui costruzione (aCadarache, inFrancia) è stata approvata il 21 novembre2006, e SPARC, ilreattoresperimentale dellaCommonwealth Fusion System, che dovrebbe entrare in funzione nel 2025.
Nel maggio 2023 il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), con sede negli Stati Uniti, ha confermato le misurazioni della Commissione francese per le Energie Alternative e l’Energia Atomica (CEA), che ha dichiarato che il suo tokamak rivestito di tungsteno ha mantenuto lo stato del plasma per 6 minuti consecutivi, a fronte di un'iniezione di 1.15 gigajoule di energia.
Nel 2024 presso il Lithium Beta Tokamak Experiment (LTX-beta) si è iniziato a sperimentare l'uso di litio liquido come rivestimento delle pareti interne. Esso è stato in grado di assorbire il 40% degli ioni espulsi dal plasma.
Nell'aprile 2024 il tokamak coreano KSTAR raggiunge una temperatura degli ioni pari a 100 milioni °C per 48 secondi, battendo il suo precedente record di 20 secondi registrato nel dicembre 2020.
Nel giugno 2024 i ricercatori cinesi del Tokamak HL-3 sono riusciti a descrivere e mappare il campo magnetico in presenza di plasma ad alta energia, fatto che permette di prevedere, controllare e fare operare il tokamak in condizioni estreme, iniettandovi più energia. L'anno precedente erano riusciti a iniettare nel tokamak 1 milione di ampere di energia.
Sempre nel giugno 2024 è stato attivato il Tokamak HH70 che occupa il 2% del volume dei tokamak tradizionali, realizzato con materiali REBCO (superconduttori ad alta temperatura).
Nel 2024 presso il Madison Symmetric Torus (MST), un tokamak dotato di pareti spesse e conduttive e di un sistema di alimentazione flessibile, è stato superato di 10 volte il limite di Greenwald, tetto massimo alla densità di elettroni nel plasma.
La miscela di gas presenti all'interno del tokamak è generalmente composta da due isotopi dell'idrogeno:deuterioetrizio.
La mistura di gas allo stato di plasma risulta essere completamente ionizzata pertanto controllabile, sfruttando laforza di Lorentz, attraverso degli opportuni campi elettromagnetici esterni.
Icampi magneticisono di tre tipi: campi toroidale e verticale indotti esternamente e campo poloidale generato dal plasma stesso. 
Il primo, generato per mezzo di bobine toroidali, permette di generare un campo diretto attorno all'asse di simmetria del toro che vincola le particelle cariche a fluire lungo quella direzione. Il secondo, generato per mezzo di bobine, permette il controllo della posizione del plasma all'interno del toro.
Il terzo, assicura l'equilibrio del plasma.
Il plasma per raggiungere le condizioni difusione termonuclearedeve soddisfare particolari condizioni espresse nel dettaglio dalcriterio di Lawson(anche se è più appropriato, nel dimensionamento dei tokamak, usare ilcriterio di ignizione). Per il raggiungimento di queste condizioni un fattore importante è la temperatura del plasma, per l'innalzamento della quale viene trasmessa altissima energia al suddetto attraverso varie tecniche, tra cui sono da citare: il riscaldamento ohmico, l'introduzione di particelle ad alta energia nonché irraggiamento di campi elettromagnetici alla frequenza di risonanza per mezzo di antenne a radiofrequenza (RF).
Il principio su cui si basa il funzionamento del plasma prodotto dal gas nel tokamak è che una particella carica immersa in un campo magnetico segue una traiettoria elicoidale (detta anche moto diciclotrone) secondo l'equazione di Larmor, che definisce ilraggio di Larmor
dovev⊥{\displaystyle v_{\perp }}è la velocità della particella perpendicolare al campo magnetico,m{\displaystyle m}è la sua massa,B{\displaystyle B}è l'intensità del campo magnetico, eZe{\displaystyle Ze}è la carica dello ione (per l'elettrone,Z=1{\displaystyle Z=1}ede{\displaystyle e}è negativa).
Quindi, poiché una particella (elettrone o ione che sia) non si può allontanare più diρ{\displaystyle \rho }dallalinea di campo, allora un campo magnetico risulta confinare in modo efficiente unplasma. Questo risultato viene di solito formalizzato, all'interno dellafisica del plasma, cometeorema di Alfvén: il moto delle particelle è in qualche modo vincolato dalla dinamica delle linee di campo magnetico.
L'idea quindi è quella di realizzare delle linee di campo magnetico che si chiudano ad anello intorno a una forma geometrica a ciambella: in termini geometrici questa configurazione è definitatoro. In questo modo, le particelle sono costrette a fluire lungo le linee del campo magnetico, percorrendo delle orbite ad anello intorno al buco del toro, e rimanendo pertanto confinate (vedi figura a destra, in alto). Il campo magnetico ad anello viene chiamato in linguaggio tecnicocampotoroidale(il piano poloidale è il piano ortogonale alla direzione toroidale, vedi figura in basso a sinistra).
La situazione reale è notevolmente più  complessa: disomogeneità del campo magnetico toroidale (intensità e curvatura) fanno sì che esistano dei moti diderivadelle particelle, rispetto alla direzione del campo magnetico: per esempio, la velocità di deriva dovuta a ungradientedi campo magnetico è dell'ordine di:
doveR{\displaystyle R}è il raggio maggiore del toro. Poiché il raggio di Larmorρ{\displaystyle \rho }è in genere molto piccolo (frazioni di millimetro per gliioni, emicronper glielettroni), le velocità di deriva sono piccole. Tuttavia, è anche vero che una particella, per effetto di temperatura, ha una velocità propria molto grande: nel caso di un protone, questa velocità è
cioè, per un plasma che abbia delle temperature fusionistiche (T=1keV{\displaystyle T=1keV}) tale velocità è dell'ordine del centinaio di chilometri al secondo. È quindi chiaro che una particella compirà un giro toroidale in un tempo inferiore al microsecondo. Nel tempo di una scarica di plasma, quindi, una particella, per effetto della deriva di gradiente, potrebbe facilmente andare ad urtare le pareti del tokamak.
La soluzione sta nell'incurvare aelicale linee di campo toroidale, in modo che la velocità di deriva punti alternativamente verso l'interno o l'esterno della camera di scarica, e mediamente l'effetto si annulli. In termini più precisi, si introduce unatrasformata rotazionaleι{\displaystyle \iota }, cioèl'angolo che una linea di campo forma su un fissato piano poloidale, quando ha compiuto un giro toroidale.
Spesso, al posto della trasformata rotazionale, si introduce ilfattore di sicurezza, definito come:
esso èil numero di giri toroidali che devo compiere per fare un giro poloidale. Se cioè la linea di campo toroidale viene incurvata di un valoreι{\displaystyle \iota }piccolo, allora il corrispondente valore diq{\displaystyle q}è grande.
Alternativamente (vedi ancora figura in alto a sinistra) si può definireq{\displaystyle q}come il rapporto tra l'angolo toroidaleΔt{\displaystyle \Delta t}che devo compiere in direzione toroidale per fare un intero giro poloidalep=2π{\displaystyle p=2\pi }, e l'angolo2π{\displaystyle 2\pi }stesso, cioè in formule:
Per definizione di linea di campo si ottiene che:
dovedℓ{\displaystyle \mathrm {d} \ell }è la lunghezza percorsa lungo la linea di campo. Inserendo dentro la definizione diq{\displaystyle q}si ha che:
se approssimiamo il toro con uncilindroperiodico, alloradℓ=rdp{\displaystyle \mathrm {d} \ell =r\mathrm {d} p}(conp{\displaystyle p}l'angolo poloidale) e allora:
In sostanza, per incurvare le linee di campo toroidale, occorre introdurre una componente del campo magnetico in direzione ortogonale: questa direzione è chiamata direzionepoloidale, e il corrispondente campo magnetico si chiamacampo poloidale.
La condizione iniziale di introdurre una piccola trasformata rotazionaleι{\displaystyle \iota }diventa una condizione suq{\displaystyle q}del tipo:
il che equivale a introdurre un (piccolo) campo poloidaleBp{\displaystyle B_{p}}.
Un campo poloidale si può ottenere in modo semplice inducendo unacorrentenella direzione toroidale, come mostrato in figura in alto (al centro). La combinazione dei due campi, toroidale e poloidale, produce come risultato delle linee di campo che sono eliche, con passo molto lungo (cioè, conq>1{\displaystyle q>1}).
In un tokamak, come condizione iniziale viene creato unvuotospinto o ultraspinto, mediante appositepompe a vuoto. L'accensione della corrente di plasma nel contenitore toroidale avviene in tre tempi:
Se il gas introdotto nel tokamak è una miscela dideuterioetrizio, si possono allora studiare le reazioni di fusione termonucleare dei plasmi ricreando per certi versi l'ambiente che si ha all'interno dellestelle. La speranza è quella di ottenere l'ignizionedel plasma, un fenomeno che si autososterrebbe, per poter estrarre energia da fusione nucleare. Tale processo produttivo non lascerebbe scorieradioattive, né sarebbe passibile diesplosionio fughe diradiazione, risultando quindi in una forma di energia completamente "pulita". Lavorare in condizioni di ignizione (ossia quella condizione operativa in cui la sola potenza delle particelle cariche confinate riesce a sostenere le perdite per conduzione, convezione ebremsstrahlung) nonostante sembri vantaggioso dal punto di vista energetico, poiché non occorre fornire alcuna potenza di riscaldamento esterno per stabilizzare il plasma fusionistico, risulta sconveniente dal punto di vista del controllo del reattore poiché dipenderebbe esclusivamente dalle dinamiche (turbolente e stocastiche) del plasma. Di norma, dunque, si sacrificano i vantaggi della condizione di ignizione, fornendo comunque una parte di potenza di riscaldamento esternamente (potenza ausiliaria) per avere il controllo del plasma.
Come indicato sopra, il metodo tradizionale per scaldare un plasma è quello di indurre una corrente elettrica nel toro (metodo che viene talvolta chiamatoriscaldamento ohmico).
Tuttavia, nel tokamak questo si scontra con la condizione fondamentale di stabilitàq>1{\displaystyle q>1}, che si traduce nella condizione cheil campo magnetico toroidale sia molto grande rispetto alla corrente di plasma; ossia, che la corrente di plasmaIP{\displaystyle I_{P}}soddisfi la condizione
doveμ0{\displaystyle \mu _{0}}è lapermeabilità magnetica del vuotoea{\displaystyle a}è il raggio minore del toro. La condizione scritta è una condizione molto stringente sulle possibilità del riscaldamento ohmico: nei tokamak moderni è quindi necessario utilizzare una serie di metodi diversi, noti comeriscaldamenti addizionali. Questo da un lato porta a ottenere facilmente delle temperature di interesse fusionistico; dall'altro, i riscaldamenti addizionali sono un problema per quanto riguarda l'efficienza di un futuro reattore (come per esempio evidenziato negli studi per ITER).
Una soluzione parziale a questo problema consiste nell'osservare che la condizione sulla corrente dipende daa/R{\displaystyle a/R}, cioè l'inverso del cosiddettorapporto d'aspettoR/a{\displaystyle R/a}: è quindi conveniente operare a rapporti d'aspetto il più basso possibile, in modo da utilizzare la corrente di plasma più alta possibile. È questa la soluzione dei cosiddettitokamak sferici, o adalto campo, comeAlcator C-MOD, alMITdiBoston, oNSTXalPPPLdi Princeton (dove "alto campo" si riferisce alla componente poloidale del campo magnetico).
Uno dei problemi del tokamak è il quench termico, il rapido crollo dienergia termicae della temperatura che porta a interrompere il processo di fusione. Esso si verifica a causa del plasma supercaldo, turbolento e instabile che deforma lelinee di campomagnetico tridimensionali in modo tale che un numero crescente di elettroni devia dal flusso magnetico, andando a collidere contro le pareti del tokamak, fino a fuoriuscire.
I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) sono riusciti a mappare la deformazione di queste linee di campo.
Tokamak sferici:
Un tokamak appare nella storia "Topolino e il fantastico tokamak", pubblicata dal settimanale di fumetti della Walt Disney nel 1983 (Topolino 1459), quale reattore a fusione avanzato, dono di una civiltà aliena.
Viene inoltre citato anche nel romanzo "Il concilio di Pietra" dello scrittore franceseJean Christophe Grangéִ.