Per la prima volta nella storia della ricerca sulla fusione nucleare, un esperimento ha portato un reattore a superare stabilmente quella che per decenni è stata considerata una barriera invalicabile alla densità del plasma, aprendo potenziali nuove strade verso la produzione di energia pulita su larga scala. La svolta è arrivata al Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), il cosiddetto «Sole artificiale» costruito in Cina dagli istituti di ricerca dell’Accademia cinese delle scienze. EAST è uno dei reattori a fusione più avanzati al mondo e già detiene record di durata per il mantenimento del plasma a temperature stellari — oltre 1.066 secondi (quasi 18 minuti) con plasma superiore ai 100 milioni di gradi Celsius. I tokamak, reattori a forma di ciambella, confinano gas ionizzato (plasma) con campi magnetici intensi per riprodurre sulla Terra ciò che avviene nel cuore del Sole: la fusione degli atomi di idrogeno in elio con rilascio di enorme energia. In natura, la densità e la pressione sono tali da permettere queste reazioni in modo continuo. Nei reattori umani la temperatura deve essere decine di volte più alta per compensare la pressione più bassa rispetto a quella che si ha nel cuore del Sole. Uno dei principali limiti operativi dei tokamak è da tempo il cosiddetto «limite di Greenwald» — una soglia empirica oltre la quale il plasma, più denso, tende a diventare instabile e a interrompersi. A densità elevate, le interazioni tra plasma e pareti del reattore innescano turbolenze che finora hanno impedito di andare oltre certi valori senza disgregazione. Il team di ricerca di EAST ha dimostrato che è possibile aggirare questo ostacolo. Modificando con grande precisione i parametri iniziali — come la pressione del gas di combustibile e utilizzando tecniche avanzate di riscaldamento mediante «risonanza ciclotronica elettronica» — gli scienziati hanno ottimizzato le interazioni tra plasma e pareti metalliche fin dalla fase di avvio. La risonanza ciclotronica elettronica è il fenomeno in cui gli elettroni, immersi in un campo magnetico, girano in cerchio a una frequenza precisa. Se si applica un’onda elettromagnetica alla stessa frequenza di questa rotazione, gli elettroni assorbono energia in modo estremamente efficiente. È come spingere qualcuno sull’altalena esattamente al ritmo giusto: ogni spinta aggiunge energia e il movimento cresce. Questa metodologia ha permesso al plasma di entrare in quello che viene chiamato «regime di assenza di densità», dove la densità può aumentare dal 30% fino al 65% oltre il limite di Greenwald senza interrompersi. Questo risultato, pubblicato sulla rivista Science Advances, rappresenta la prima prova sperimentale della teoria di auto-organizzazione tra plasma e pareti (nota come plasma-wall self-organization, PWSO), proposta per spiegare come il fluido ionizzato e la superficie interna del reattore possano raggiungere un equilibrio stabile anche a densità insolitamente alte. Secondo gli autori dello studio, guidati da Ping Zhu e Yan Ning, questa strategia non solo dimostra che i limiti empirici non sono invalicabili, ma offre anche una «via pratica e scalabile» per estendere la densità operativa nei tokamak e nei futuri dispositivi a plasma avanzato. Perché tutto questo è importante? Una densità più alta significa che più particelle di combustibile sono presenti nello stesso volume di plasma, aumentando la probabilità che gli atomi si scontrino e si fondano, condizione essenziale per raggiungere l'»ignizione» della fusione — cioè uno stato in cui le reazioni generano più energia di quanta ne venga spesa per mantenerle. Nonostante il progresso, la strada verso centrali a fusione commerciali resta lunga. Prima di poter trasformare questi risultati in energia elettrica utilizzabile occorre affrontare sfide cruciali, come la scelta di materiali in grado di resistere a diversi anni di funzionamento sotto flussi di neutroni intensi e la costruzione di sistemi di confinamento ancora più robusti. Tuttavia, questo esperimento segna uno dei passi più significativi degli ultimi anni: dimostra che alcuni dei limiti ritenuti insormontabili nella fisica dei plasmi possono essere ripensati, e fornisce alla comunità internazionale della fusione nuovi strumenti per progettare reattori più performanti, incluso il grande progetto collaborativo ITER in costruzione in Francia.
Luigi Bignami
