Reversed Field eXperiment: differenze tra le versioni

Versione delle 09:53, 24 gen 2020

Versione delle 11:37, 24 gen 2020

Riga 1:

[[File:RFX-mod vista dall'alto.jpg|miniatura|572x572px|Vista della sala macchina dell'esperimento RFX (febbraio 2007).]]

{{coord|45.391237|N|11.929790|E|format=dms|display=title}}

'''Reversed Field eXperiment''' ('''RFX''') è il più grande esperimento al mondo per lo studio del confinamento dei [[Plasma (fisica)|plasmi]] da [[fusione nucleare]] controllata in configurazione [[reversed field pinch]] (RFP).<ref name=":0">{{cita web |url=https://www.univr.it/documents/20142/0/08+-+MIAIVO.pdf/9a9d4729-aad7-a412-acb6-cc6fa9bb1f62|titolo=MIAIVO -Meccanica Innovativa e Additiva Integrata del VenetO|p=2|data = 25 marzo 2019|accesso=31 luglio 2019}}</ref>

L'esperimento, situato a [[Padova]] nei laboratori del [[Consorzio RFX]] presso l'Area di Ricerca del [[Consiglio Nazionale delle Ricerche]] (CNR), ha raggiunto la corrente di plasma più alta in assoluto, 2&nbsp;MA (2&nbsp;milioni&nbsp;di&nbsp;Ampére) ed è dotato di uno dei più avanzati sistemi di controllo della stabilità del plasma mai realizzati per un esperimento di fusione termonucleare controllata a confinamento magnetico.

== Storia ==

Le ricerche sui [[plasma (fisica)|gas ionizzati o plasmi]] iniziarono a [[Padova]] nel 1958/1959, in seguito all'interesse suscitato dalla [[Atomi per la pace|conferenza di Ginevra "Atoms for peace"]], 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 prof. [[Antonio Rostagni]]). 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]]. 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|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]].

Ma fu l'esperimento [[ETA-BETA II]] ([[1979]]-[[1989]], ora trasferito al Museo della Tecnica Elettrica di [[Pavia]] [https://web.archive.org/web/20150708020258/http://www-3.unipv.it/museotecnica/2014/etabeta/etabeta.html]) a ottenere in modo stazionario la configurazione RFP, riproducendo la cosiddetta "''fase quiescente''" 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]] molto 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|Joint European Torus - JET]]), e affidato al gruppo di Padova nel [[1984]]. 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]]

L'ente che gestisce RFX è una associazione fra [[EURATOM]] ed [[ENEA]], nota come '''Consorzio RFX''' [https://web.archive.org/web/20090901010034/http://www.igi.cnr.it/], in cui i soci sono l'[[ENEA]], il [[Consiglio Nazionale delle Ricerche|CNR]], l'[[Università di Padova]], l'[[INFN]] e le [http://www.acciaierievenete.com/ Acciaierie venete S.p.A.]

Riga 15 ⟶ 16:

== Parametri tecnici ==

RFX è stata costruita fra il [[1985]] e il [[1991]]<ref>Giorgio Rostagni, [https://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V3C-3YF4BXJ-1&_user=6684555&_coverDate=01%2F02%2F1995&_alid=811518616&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5727&_sort=d&_docanchor=&view=c&_ct=1&_acct=C000061181&_version=1&_urlVersion=0&_userid=6684555&md5=ffdaa9b2793f2aff0f440ba810ece21e ''RFX: an expected step in RFP research''], Fusion Engineering and Design '''25''' (1995), p.301</ref>, e poi è stata modificata fra il [[1999]] e il [[2004]]<ref>P. Sonato, G. Chitarin, P. Zaccaria, F. Gnesotto, S. Ortolani, A. Buffa, M. Bagatin, W.R. Baker, S. Dal Bello, P. Fiorentin, L. Grando, G. Marchiori, D. Marcuzzi, A. Masiello, S. Peruzzo, N. Pomaro, G. Serianni [https://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6V3C-48TKJ4M-G&_user=6684555&_coverDate=09%2F30%2F2003&_alid=811552344&_rdoc=1&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5727&_docanchor=&view=c&_ct=1&_acct=C000061181&_version=1&_urlVersion=0&_userid=6684555&md5=db100dc7779f7cdfb3734f0689cfceaa ''Machine modification for active MHD control in RFX''], Fusion Engineering and Design '''66-68''' (2003), p.161</ref>, e dal [[2015]] vive una fase di seconde modifiche, all'interno del [[Reversed Field eXperiment#Sviluppi correnti: RFX-mod2 e il progetto MIAIVO|progetto MIAIVO]]. RFX è la prima macchina di grandi dimensioni, di tipo [[reversed field pinch|RFP]], che raggiunge correnti di plasma di 2&nbsp;[[mega|M]][[Ampere|A]] e le sostiene per circa mezzo [[secondo]]. La tabella che segue mette in evidenza le principali caratteristiche tecniche:

{| class=wikitable style="text-align:center"

Riga 70 ⟶ 71:

== Il sistema di controllo attivo ==

=== Tecnologia del controllo attivo ===

[[File:Active feedback RFX-mod.jpg|thumb|'''Figura 1''': Il sistema di controllo attivo nell'esperimento RFX-mod 2: le bobine attive, 192 in totale e fatte a forma di sella, sono indicate in blu nella figura. In grigio è rappresentata la camera da vuoto toroidale, e in rosso è rappresentato il plasma. |501x501px|link=Special:FilePath/Fig_14.08.jpg]]

[[File:Torus cycles.png|thumb|'''Figura 4''': Coordinate su un [[toro (geometria)|toro]] la linea violetta indica la direzione ''toroidale'' <math>\hat{\phi}</math>, la linea rossa la direzione ''poloidale'' <math>\hat{\theta}</math>.]]

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 aal campo poloidale <math>B_{\theta}</math>, sia a quello toroidale <math>B_{\phi}</math> (per la definizione delle coordinate su un toro si rimanda alla '''Figura 4''').

Infatti, lL'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|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.

<br />

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

[[File:Stato elicoidale in RFX-mod.jpg|sinistra|miniatura|488x488px|'''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’ interno del plasma (simulazione al computer con il codice ORBIT). (c) l’ordine magnetico elicoidale a cui corrisponde (d) una sola elica calda all’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]], 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]] e del -[[20062015]] sono stati provati diversi scenari sperimentali, allo scopo di ridurre quanto possibile le instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]] del plasma. Un esempio è riportato nella '''Figura 52''', 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 52'''). 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 63(c)''').

I plasmi di RFX già spontaneamente oscillano fra condizioni più deformate e caotiche ('''Figura 52 (a)''' e '''(b)''') e condizioni più ordinate e dotate di simmetria elicoidale ('''Figura 52 (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 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'''

Nel corso del [[2005]] e del [[2006]] sono stati provati diversi scenari sperimentali, allo scopo di ridurre quanto possibile le instabilità [[magnetoidrodinamica|magnetoidrodinamiche]] del plasma. Un esempio è riportato nella '''Figura 5''', 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 5'''). 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 6''').

I plasmi di RFX già spontaneamente oscillano fra condizioni più deformate e caotiche ('''Figura 5 (a)''' e '''(b)''') e condizioni più ordinate e dotate di simmetria elicoidale ('''Figura 5 (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 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'''

<ref>S. Cappello and D. 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>.

[[File:QSH plasma wall interaction in RFX-mod.png|miniatura|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 52 (a)''');

* riduzione dell'interazione con la parete<ref delname=":1" tipo/>: dellain '''Figura 63''' è evidente che in Singola Elicità, '''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 52 (b)''');

* possibilità di riscaldare la regione interna del plasma, che assume una forma a "fagiolo" (vedi '''Figura 52 (d)''');

* possibilità (per ora teorica) di aumentare la [[corrente elettrica|corrente]] del plasma, senza applicare una [[tensione elettrica|tensione]] aggiuntiva.

Uno dei maggiori risultati del controllo attivo è stato appunto quello di riuscire a indurre in modo quasi continuo, per tutta la durata della scarica, gli stati a singola elicità che prima dell'applicazione del [[retroazione|feedback]] si potevano ottenere solo sporadicamente, e in modo intermittente. La contemporanea riduzione dell'interazione con la parete del tipo della '''Figura 63''' ha permesso di raggiungere correnti di 1.5 [[mega|M]][[Ampere|A]], e quindi quasi di raggiungere le specifiche tecniche della massima corrente di 2 [[mega|M]][[Ampere|A]].

== Sperimentazione attuale e piani futuri ==

Attualmente l'esperimento è in fase di "''shutdown''" (chiusura) per permettere le modifiche di [[Reversed Field eXperiment#Sviluppi correnti|RFX-mod2]]. I principali risultati ottenuti su RFX-mod nel decennio [[2005]]-[[2015]] si possono sintetizzare come segue:

La sperimentazione attuale su RFX si può così sintetizzare:

* proseguire nella comprensione degli aspetti tecnologici e di fisica del controllo attivo, in collaborazione anche con laboratori stranieri (per esempio, [[ASDEX Upgrade]] e [[DIII-D (reattore a fusione)|DIII-D]]);

* studiare la [[fisica del plasma]] a correnti elevate, per esempio per quanto riguarda il [[limite di Greenwald]], che impone un valore massimo al rapporto densità/corrente del plasma;

* contribuire alla comprensione della configurazione [[Tokamak]] in un ambito di parametri di plasma diverso (quello tipico del [[reversed field pinch]]), aggiungendo quindi dati importanti per il [[database]] di [[ITER]];

* studiare la [[turbolenza]] del plasma di bordo, con strumenti di misura sofisticati.

I progetti sono di proseguire ed estendere questi studi nell'intervallo di correnti di plasma 1,5-2 [[ampere|MA]], quindi vicino alle massime specifiche tecniche di RFX.

* proseguireIl principale contributo, per cui RFX-mod si può giustamente definire unico al mondo, è il '''controllo attivo''' tramite la '''copertura completa''' delle '''192 bobine a sella'''. In questo campo, RFX-mod ha contribuito a dare un significativo avanzamento nella comprensione degli aspetti tecnologici e di fisica del controllo attivo, che è stato condotto in collaborazione anche con laboratori stranieri (per esempio, [[ASDEX Upgrade]] e [[DIII-D (reattore a fusione)|DIII-D]]);

== Sviluppi correnti ==

* studiareHa lacontribuito allo studio della [[fisica del plasma]] a correnti elevate, 1.5-2 [[ampere|MA]], per esempio per quanto riguarda il [[limite di Greenwald]], che impone un valore massimo al rapporto densità/corrente del plasma;

Collaudi del sistema di alimentazione della [[corrente elettrica|corrente]] di [[plasma (fisica)|plasma]].

* contribuireHa contribuito alla comprensione della configurazione [[Tokamak]] in un ambito di parametri di plasma diverso, (quellocon tipicoparametro deldi [[reversedsicurezza fieldal pinch]])bordo <math>q_a \le 2</math>, aggiungendo quindi dati importanti per il [[database]] di [[ITER]];

* studiareHa avanzato la conoscenza della [[turbolenza]] del plasma di bordo, con strumenti di misura sofisticati.

== Sviluppi correnti: RFX-mod2 e il progetto MIAIVO ==

Allo scopo di migliorare ulteriormente il controllo delle instabilità del plasma, è stata avviata nel [[2018]] la modifica "RFX-mod2" la quale prevede l'avvicinamento del plasma ai sistemi di controllo, tramite la rimozione della camera da toroidalevuoto. (cheIn questo assicurava modo la scocca tenutastabilizzatrice deldi vuotorame sarà direttamente affacciata al plasma, compitoe cheil verràruolo assuntodi dallatenuta strutturadel vuoto sarà esternasvolto dalla struttura meccanica di contenimento. Questa supporto)modifica consentendoconsentirà anche l'aumento del volume del plasma.<ref>{{cita web | url=https://www.igi.cnr.it/www/sites/default/files/Brochure%20Consorzio%20RFX-%20def.pdf|titolo=Consorzio RFX - Fusion Research in Padova|p=5|accesso=31 luglio 2019}}</ref>

La modifica ha richiesto una spesa di 2&nbsp;milioni&nbsp;[[Euro|€]] in ricerca e sviluppo ed ulteriori 4,3&nbsp;milioni&nbsp;€ per il completamento delle modifiche, ed è finanziata dalla Regione Veneto all'interno del Fondo [https://ec.europa.eu/regional_policy/index.cfm/it/funding/erdf/ Europeo di Sviluppo Regionale (FESR)] con il nome di '''progetto MIAIVO'''<ref name=":0" />.

La ripresa delle attività sperimentali è prevista pernel la finecorso del [[20202021]].<ref>{{cita news |url=https://www.igi.cnr.it/www/sites/default/files/RFX-%20prgetto%20MIAIVO%20-%20def.pdf |titolo= RFX-mod2 - progetto MIAIVO |editore= |autore= Consorzio RFX|formato= pdf |data=(URL consultato il 31 luglio 2019 )|pp=4-7}}</ref>

== Note ==