Reversed Field eXperiment: differenze tra le versioni

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Le ricerche sui [[plasma (fisica)|gas ionizzati o plasmi]] iniziarono a [[Padova]] a cavallo tra gli anni 1958 e 1959, in seguito all'interesse suscitato dalla conferenza di Ginevra "[[Atomi per la pace]]", presso l'Istituto di Elettrotecnica della Facoltà di Ingegneria (allora diretto dal prof. [[Giovanni Someda]]), con il sostegno e la collaborazione dell'Istituto di Fisica (allora diretto dal professor [[Antonio Rostagni]]). Si formò così il "Gruppo di Padova per ricerche sulla fusione", di cui furono fondatori i professori [[Giorgio Rostagni]] (figlio di Antonio) e [[Gaetano Malesani]]. I primi esperimenti riguardavano [[scarica elettrica|scariche elettriche]] in tubi rettilinei, in [[gas]] a bassa [[pressione]], prodotte fra due [[elettrodo|elettrodi]] posti alle estremità del tubo (una evoluzione dei [[Tubo di Crookes|tubi di Crookes]]). Su tali scariche si effettuarono le prime osservazioni e misure, come la misura del rapporto <math>E/p</math> ([[campo elettrico]] diviso per la [[pressione]]) necessario per ionizzare un plasma di [[idrogeno]].<ref>A. Buffa, G. Malesani and G. F. Nalesso, [https://prola.aps.org/abstract/PRA/v3/i3/p955_1 ''Measurement of Ionization Growth Rates in H₂ at High E/p''], Physical Review A '''3''' (1971), 955</ref>

Gli studi con macchine [[toro (geometria)|toroidali]] (cioè, a forma di ciambella) vennero invece avviati nei primi anni '70 nel quadro del primo contratto di associazione fra [[EURATOM]] e [[Consiglio Nazionale delle Ricerche|CNR]], che si formalizzò nell'istituzione del ''Centro di Studi sui Gas Ionizzati'' (1971), diretto da Gaetano Malesani. Il Centro divenne in seguito Istituto Gas Ionizzati (IGI) nel 1983.<ref>{{Cita web|url=https://www.crf.unipd.it/centro/storia-del-centro-ricerche-fusione-dell%E2%80%99universit%C3%A0-di-padova|titolo=Storia del Centro Ricerche Fusione dell’Università di Padova}}</ref> Al gruppo di [[Padova]] venne così affidato il progetto [[ETA-BETA I]], attivo dal [[1974]] al [[1978]], e dedicato a una configurazione alternativa al [[Tokamak]], nota come [[reversed field pinch]] (RFP). Al progetto venne riconosciuto il livello prioritario nell'ambito del programma europeo sulla [[fusione nucleare|fusione]], il che comportava un finanziamento al 45% da parte della [[Comunità europea]].

[[File:ETA-BETA II experiment in Padua (1979-1989).jpg|sinistra|thumb|upright=1.3|Immagine dell'esperimento ETA-BETA II (1979-1989)]]

Ma fu l'esperimento [[ETA-BETA II]] ([[1979]]-[[1989]], ora trasferito al Museo della Tecnica Elettrica di [[Pavia]]<ref>{{Cita web|url=https://web.archive.org/web/20150708020258/http://www-3.unipv.it/museotecnica/2014/etabeta/etabeta.html|titolo=Eta Beta II}}</ref>) a ottenere in modo stazionario la configurazione RFP, riproducendo la cosiddetta "''fase quiescente''"<ref>{{Cita pubblicazione|autore=A. Buffa, S. Costa, R. De Angelis, J.N. Di Marco, L. Giudicotti, G. Malesani, G.F. Nalesso, S. Ortolani, e P. Scarin|anno=1979|titolo=First Results from the ETA-BETA II RFP Experiment|rivista=Proc. 9th European Physical Society Conference on Plasma Physics, Oxford|volume=2|numero=|p=544|url=http://www-fusion.ciemat.es/media/EPS/EPS_09_Vol2_1979.pdf}}</ref> che venti anni prima era stata osservata nella macchina [[Regno Unito|inglese]] [[ZETA]]. Questo risultato rese interessante la configurazione RFP nell'ambito della ricerca sulla [[fusione nucleare|fusione]], dando l'impulso per la realizzazione di altre macchine simili e di dimensioni maggiori, fra cui il [[Madison Symmetric Torus|Madison Symmetric Torus (MST)]] a [[Madison (Wisconsin)]]. Si consolidò quindi la convinzione che una significativa indagine sulle prospettive del RFP come [[reattore nucleare a fusione|reattore a fusione]] dovesse svolgersi con esperimenti in una macchina molto più grande e a livelli di [[corrente elettrica|corrente di plasma]] maggiori di quelli ottenuti su ETA-BETA I ed ETA-BETA II. Il progetto RFX venne quindi inizialmente proposto a Culham, nell'[[Oxfordshire]] (lo stesso sito del [[Joint European Torus]] - JET), e affidato al gruppo di Padova, ormai diventato Istituto Gas Ionizzati (IGI) del CNR, nel [[1984]], a seguito di un taglio di finanziamenti dell'allora governo di [[Margaret Thatcher]]. Dopo una fase costruttiva terminata nel [[1991]], il primo plasma in RFX è stato ottenuto il 21 novembre [[1991]]. I primi plasmi di tipo RFP sono stati ottenuti nell'estate 1992. A seguito dell'aumento dell'impegno finanziario e organizzativo relativo alla gestione di RFX, nel 1996 fu costituito un ente di natura privata, noto come '''Consorzio RFX''', in cui i primi soci furono l'[[ENEA]], il [[Consiglio Nazionale delle Ricerche|CNR]], l'[[Università di Padova]] e le Acciaierie venete S.p.A..

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Come anticipato, un fondamentale passo in avanti nella comprensione e nello sviluppo della configurazione RFP è stata la realizzazione in RFX-mod di un sistema di [[retroazione|controllo attivo]] delle principali instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]], come parte del programma per ottenere un plasma meno [[turbolenza|turbolento]]. A questo scopo, RFX-mod è stato dotato di un apparato di 192 ''[[bobina|bobine]] a sella'', disposte su 4 file poloidali, per un totale di 48 posizioni toroidali: questa configurazione, che copre totalmente la superficie esterna del toro, è giustamente considerato il sistema più avanzato al mondo di controllo attivo in un esperimento da fusione. Ogni bobina è alimentata e controllata in modo indipendente. Queste bobine non sono da confondersi con le bobine usate nel sistema magnetico, cioè quelle usate per creare la corrente di plasma e il campo magnetico toroidale di equilibrio: le bobine a sella (mostrate in Figura 1) sono usate per creare un [[campo magnetico]] radiale <math>B_r</math>, ortogonale sia al campo poloidale <math>B_{\theta}</math>, sia a quello toroidale <math>B_{\phi}</math>.

L'idea principale del controllo attivo è che le instabilità, che tipicamente hanno la forma di un'[[elica (geometria)|elica]] che si avvolge all'interno del toro, producono un piccolo campo magnetico radiale <math>B_r</math>, che può essere misurato. La grandezza tipica delle instabilità è di qualche [[milli (prefisso)|m]][[tesla (unità di misura)|T]], quindi dal 4 al 10% del campo magnetico principale (cioè, il campo magnetico di equilibrio). Se varie eliche si sommano, come quando si bloccano in [[fase (segnali)|fase]], questo campo magnetico può essere anche cospicuo: è come se ci fosse un "buco" nella camera d'aria di una bicicletta, che determina la fuoriuscita di aria. Ma se è possibile misurare un [[campo magnetico]], è anche possibile agire dall'esterno , in modo da cancellare localmente il campo magnetico radiale dovuto alle eliche, mettendo quindi una "toppa" magnetica alla ciambella di plasma. Questo è più o meno quello che fanno le bobine attive.

=== Effetti del controllo attivo sul plasma ===

[[File:Stato elicoidale in RFX-mod.jpg|sinistra|thumb|upright=2.2|'''Figura 2:''' Rappresentazione schematica dei due stati possibili di un RFP: (a) lo stato caotico, corrisponde a varie eliche che tendono a “raggrumarsi” in una posizione particolare, dove la deformazione del plasma è massima; (b) il corrispondente campo magnetico caotico all’all' interno del plasma (simulazione al computer con il codice ORBIT). (c) l’ordinel'ordine magnetico elicoidale a cui corrisponde (d) una sola elica calda all’internoall'interno del plasma.]]

Per potere funzionare, il sistema di controllo attivo deve essere molto veloce: la velocità è principalmente determinata dalla scala di tempo dell'evoluzione delle instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]] (=molte "eliche") , che è dell'ordine del millesimo di secondo. Quindi, anche l'azione delle bobine attive in RFX-mod deve avvenire su ordini di tempo di qualche millesimo di secondo.

Nel corso del decennio [[2005]]-[[2015]] sono stati provati diversi scenari sperimentali, allo scopo di ridurre quanto possibile le instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]] del plasma. Un esempio è riportato nella Figura 2, e mostra l'effetto macroscopico che si può ottenere a partire da un controllo locale del campo magnetico esterno: la presenza contemporanea di molte instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]] (=molte "eliche") è una sorgente naturale di turbolenza e , in quanto le eliche manifestano una forte tendenza a collassare, "raggrumandosi" (blocco delle [[fase (segnali)|fasi]]) in corrispondenza a una posizione fissa, decisa da qualche disomogeneità del sistema di contenimento (camera da vuoto e sistema magnetico). Poiché le particelle cariche tendono a seguire, nel loro [[moto di Larmor]] le linee di [[campo magnetico]], il "grumo" è una posizione preferenziale di perdita di particelle calde verso la parete, nonché sorgente di [[teoria del caos|caos]] in buona parte del volume del plasma (pannelli (a) e (b) nella Figura 2). Il risultato pratico finale è un flusso di calore localizzato verso la parete, che può danneggiare o addirittura rompere le mattonelle di grafite che coprono la superficie interna della camera da vuoto (in questi casi, senza controllo attivo, si sono registrate temperature delle mattonelle di quasi 2000&nbsp;°C, vedi Figura 3(c)).

I plasmi di RFX già spontaneamente oscillano fra condizioni più deformate e caotiche (Figura 2 (a) e (b)) e condizioni più ordinate e dotate di simmetria elicoidale (Figura 2 (c) e (d)). È interessante sottolineare che fenomeni di [[auto-organizzazione]] sono tutt'altro che rari in natura: esempi si trovano in astrofisica per quanto riguarda la struttura dei campi magnetici intorno ai corpi celesti<ref>Si veda per esempio il sito http://www.cmso.info</ref>. In RFX, il raggiungimento dello stato spontaneamente ordinato si raggiunge tramite la crescita di ''una sola'' elica-instabilità, e per questo lo stato ordinato viene anche chiamato singola [[Elicità idrodinamica|elicità]]<ref>Susanna Cappello and Daniele Bonfiglio [https://doi.org/10.1063/1.2177198 ''Magnetohydrodynamic dynamo in reversed field pinch plasmas: Electrostatic drift nature of the dynamo velocity field''], Phys. Plasmas '''13''', 056102 (2006)</ref><ref name=":3">{{Cita pubblicazione|autore=Rita Lorenzini, Emilio Martines, Paolo Piovesan, e coautori|anno=2009|titolo=Self-organized helical equilibria as a new paradigm for ohmically heated fusion plasmas|rivista=Nature Physics|volume=5|numero=|doi=10.1038/nphys1308}}</ref>.

<ref>Susanna[[File:QSH Cappelloplasma andwall Danieleinteraction Bonfiglioin [https://doi.org/10RFX-mod.1063/1.2177198png|miniatura|'''Figura 3:'''Magnetohydrodynamic dynamoEmissione indi reversedriga fielddel pinchCarbonio plasmas:III Electrostaticsulla driftparete naturein ofgrafite thedi dynamoRFX: velocity(a) field''],nello Phys.stato Plasmasa '''13'''singola elicità, 056102 (2006c)</ref> nello stato caotico. Figura adattata da<ref name=":31">{{Cita pubblicazione|autore=RitaPaolo LorenziniScarin, EmilioMatteo MartinesAgostini, PaoloGianluca PiovesanSpizzo, Marco Veranda e coautoriPaolo Zanca|anno=20092019|titolo=SelfHelical plasma-organizedwall helicalinteraction equilibriain asthe aRFX-mod: neweffects paradigmof for ohmically heatedhigh-n fusionmode plasmaslocking|rivista=NatureNuclear PhysicsFusion|volume=559|numero=8|p=086008|doi=10.10381088/nphys13081741-4326/ab2071}}</ref>. |481x481px]]

[[File:QSH plasma wall interaction in RFX-mod.png|miniatura|'''Figura 3:''' Emissione di riga del Carbonio III sulla parete in grafite di RFX: (a) nello stato a Singola Elicità, (c) nello stato caotico. Figura adattata da<ref name=":1">{{Cita pubblicazione|autore=Paolo Scarin, Matteo Agostini, Gianluca Spizzo, Marco Veranda e Paolo Zanca|anno=2019|titolo=Helical plasma-wall interaction in the RFX-mod: effects of high-n mode locking|rivista=Nuclear Fusion|volume=59|numero=8|p=086008|doi=10.1088/1741-4326/ab2071}}</ref> |481x481px]]

I principali vantaggi della singola elicità si possono riassumere come segue:

*riduzione del "grumo" sulla superficie del plasma (vedi Figura 2 (a));

* riduzione dell'interazione con la parete<ref name=":1" />: in Figura 3 è evidente che in Singolasingola Elicitàelicità, pannello (a), l'interazione con la parete è minore che nel caso caotico, mostrato nel pannello (c);

* riduzione o completa eliminazione del caos nell'interno del plasma (vedi Figura 2 (b));

* possibilità di riscaldare la regione interna del plasma, che assume una forma a "fagiolo" (vedi Figura 2 (d));

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La modifica richiede un investimento di oltre 4 milioni di € in ricerca e sviluppo ed è co-finanziata dalla [[Veneto|Regione Veneto]] nell'ambito del Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR) con il nome di '''progetto MIAIVO'''<ref>{{Cita web|url=https://www.univr.it/documents/20142/0/08+-+MIAIVO.pdf/9a9d4729-aad7-a412-acb6-cc6fa9bb1f62|titolo=Il piano industriale del Veneto: risultati dei progetti di ricerca e prospettive di sviluppo: Progetto “MIAIVO - Meccanica Innovativa e Additiva Integrata”, Universita' di Verona, 25 marzo 2019}}</ref><ref name=":2" />.

La ripresa delle attività sperimentali è prevista nel corso del 2021.<ref name=":2">{{cita news|autore=Consorzio RFX|url=https://www.igi.cnr.it/www/sites/default/files/RFX-%20prgetto%20MIAIVO%20-%20def.pdf|titolo=RFX-mod2 - progetto MIAIVO|pubblicazione=IGI|pp=4-7|accesso=31 luglio 2019|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20190731154907/https://www.igi.cnr.it/www/sites/default/files/RFX-%20prgetto%20MIAIVO%20-%20def.pdf|dataarchivio=31 luglio 2019|urlmorto=sì}}</ref>

== Note ==