Z-Machine:
La Z machine (in
italiano Macchina Z) è il più grande generatore di
raggi X del mondo, progettato per la sperimentazione sul comportamento dei materiali in condizioni estreme di
temperatura e
pressione. Installata presso i
Sandia National Laboratories ad
Albuquerque in
New Mexico, la Z machine è utilizzata per la raccolta dati e la simulazione, con l'aiuto di modelli computerizzati, di
armamenti nucleari.
La macchina opera rilasciando un impulso elettrico associato ad un
campo magnetico. L'energia risultante dalla scarica di 20 milioni di
ampère vaporizza una schiera di sottili fili di
tungsteno e un potente campo magnetico comprime il
plasma prodotto. Questo, collassando, produce a sua volta raggi X che creano un'onda d'urto sul materiale in esame. La potente fluttuazione all'interno del campo magnetico (o
impulso elettromagnetico) genera anche corrente elettrica in tutti gli oggetti metallici presenti nella camera.
Il nome Z machine deriva dal fatto che la corrente viaggia verticalmente verso l'oggetto in esame, lungo quello che convenzionalmente è chiamato "asse Z", essendo gli assi "X" e "Y" orizzontali (vedi la voce
Z-pinch).
Originariamente progettata per fornire un'alimentazione di 50
terawatts in un unico e veloce impulso, i progressi tecnologici hanno consentito di raggiungere i 290 terawatts, sufficienti per lo studio della
fusione nucleare. La macchina libera in 70 nanosecondi secondo 80 volte l'ammontare globale di potenza elettrica prodotta nel mondo. Tuttavia soltanto una piccola quantità di elettricità è consumata per ogni prova (pari a quella impiegata in 100 abitazioni per due minuti). Inoltre, prima dell'inizio del processo, si procede lentamente alla ricarica dei
generatori Marx.
Il
7 aprile 2003 Sandia ha annunciato di aver realizzato la fusione del
deuterio all'interno della Z machine. In seguito allo stanziamento di 60 milioni di dollari, nell'ambito del programma di rinnovamento annunciato nel
2004, la potenza in uscita della macchina verrà portata a 350 terawatts, mentre l'output per i raggi X raggiungerà 2,7
megajoule.
La Z machine è ora capace di spingere piccole piastre fino a 34 chilometri al secondo, più della velocità di rivoluzione della
Terra nella sua orbita attorno al
Sole (30 km/s), e un valore tre volte superiore alla
velocità di fuga dal pianeta (11,2 km/s).
Nel
2005, la Z machine ha prodotto plasma con temperature al di sopra dei 2 G
K (10^9 K) o 2 miliardi di
°C. Gli scienziati del progetto erano dubbiosi riguardo agli esiti delle sperimentazioni, ma dopo quattordici mesi di analisi con modelli computerizzati e ulteriori esami, hanno concluso che i risultati siano effettivamente validi. Si crede che il plasma ad alta temperatura sia stato prodotto dall'uso di una bobina leggermente più grande del normale, composta da fili di
acciaio poco più spessi degli usuali fili di tungsteno.
DEMO:
DEMO è il nome del reattore a fusione attualmente studiato in Europa. Lo scopo principale del progetto è dimostrare la possibilità di generare energia elettrica tramite la reazione di
fusione nucleare. Questo a differenza del progetto
ITER che ha lo scopo di dimostrare la possibilità di ottenere del
plasma in grado di sostenere la reazione di fusione nucleare per un tempo sufficientemente lungo (1000 s). Le caratteristiche del plasma di DEMO devono quindi essere più spinte di quelle del plasma di
ITER, cioè tali da mantenere la stabilità della reazione di fusione per un tempo indeterminato. Il consumo di
Trizio, molto maggiore di quello previsto in una macchina con plasma pulsato come
ITER, richiede la presenza in DEMO di un
blanket triziogeno
[1], cioè di una parte di macchina destinata a produrre
Trizio dalla cattura di un
neutrone da parte del
Litio. Infatti il
Trizio, essendo un isotopo con un periodo di dimezzamento di circa 12 anni
[2], deve essere prodotto in loco.
Scopo di DEMO è di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica dalla reazione di fusione nucleare, mentre dimostrare l'economicità di questa forma di produzione di energia è lasciato a successive filiere di reattori. Tuttavia questi reattori dovranno sfruttare l'esperienza operativa di DEMO per raggiungere lo scopo di avere una produzione di energia elettrica a costi più bassi di quelli dell'energia prodotta da altre fonti (carbone,
fissione nucleare). La densità di potenza (rapporto fra potenza generata e volume in cui viene generata questa potenza) della fusione nucleare è nettamente inferiore a quella della fissione nucleare ed inferiore anche a quella della potenza ottenuta da combustibili fossili, quindi la fusione nucleare richiede strutture più voluminose e costose. Per ridurre i costi dell'energia si deve aumentare il
rendimento termodinamico del ciclo di generazione dell'energia, cioè si deve aumentare la temperatura del ciclo (vedi
Ciclo di Carnot). Quindi come vettore termico (cioè come fluido che trasferisce l'energia da dove viene generata a dove viene trasformata in enegia elettrica) non si può utilizzare acqua (come nelle
centrali elettriche a combustibili fossili o nei
reattori a fissione nucleare ad acqua -
PWR e
BWR), ma si devono usare metalli liquidi o gas. In DEMO si pensa di utilizzare come vettore termico
Elio o una lega di
Piombo con il 17% di Litio.
La lega di piombo con il 17% di atomi di litio (Pb-17Li) rappresenta un
eutettoide, cioè una lega che fonde a temperature relativamente basse (vedi
eutettico), la temperatura di fusione del Pb-17Li è di 235 °C, quindi il limite inferiore di temperatura per l'utilizzo di questa lega come vettore termico è di 250 °C, mentre il limite superiore, dato praticamente dalla resistenza meccanica dei materiali strutturali, è superiore a 600 °C nel caso di strutture in acciaio. Il Pb-17Li, essendo un conduttore elettrico, quando si muove in un campo magnetico, come quello generato in un reattore a fusione, è soggetto, oltre ai normali fenomeni
fluidodinamici, anche a fenomeni
magnetoidrodinamici, che possono aumentare sensibilmente la resistenza al movimento in queste condizioni, riducendo quindi la velocità con cui può muoversi nel
tokamak.
L'elio, essendo gassoso, ha caratteristiche di
scambio termico molto basse, quindi può essere utilizzato solo tenendo alte velocità e pressione, la pressione a cui si fa riferimento negli studi di DEMO è di 8 MPa. Questa elevata pressione del gas limita la massima temperatura di impiego a circa 500 °C in strutture resistenti di
acciaio, mentre può essere aumentata utilizzando come materiali strutturali metalli refrattari (particolarmente
Tungsteno).
Il vettore termico, dopo essere stato riscaldato dalla reazione di fusione viene portato fuori dal recipiente di contenimento del vuoto (vacuum vessel - VV) e, nel caso del Pb-17Li, cede il calore ad un gas che viene utilizzato in una turbina, che, muovendo un alternatore, genera l'energia elettrica. Il passo intermedio dello scambio di calore con un gas per utilizzarlo in turbina naturalmente è assente nel caso dell'elio.
Gli studi attuali di DEMO sono coordinati dall'
EFDA (European Fusion Development Agreement), organismo dell'
Unione Europea, e vengono condotti in diverse nazioni europee. Oltre agli studi tecnici su blanket/prima parete (si prevede che questi due componenti vengano integrati in un'unica struttura) e sul divertore sono in corso studi economici sul migliore utilizzo dell'energia di reazione e sulla migliore taglia dell'impianto. Infine sono in corso studi socioeconomici per affrontare il problema di insediare l'impianto senza suscitare l'opposizione della popolazione locale a questa nuova tecnologia.È previsto di provare in ITER modelli dei blanket refrigerati ad He, mentre ci sono forti difficoltà per provare in ITER divertore e prima parete a causa dei problemi di sicurezza collegati alla presenza di gas ad alta temperatura.
Fonte:
