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Confinamento magnetico del plasma

Nella fusione a confinamento magnetico il plasma  caldo è racchiuso in una camera a vuoto, e una opportuna configurazione di campi magnetici esterni e/o prodotti da correnti circolanti nel plasma impedisce il contatto con le pareti del recipiente.
Sono state studiate,a questo proposito, diverse configurazioni magnetiche :
configurazioni a specchio in cui le linee di forza del campo magnetico sono aperte alle estremità del plasma  e configurazioni a simmetria  toroidale (es.Stellarator, Tokamak ).
Quella che ha ottenuto finora i migliori risultati nella fusione a confinamento magnetico, è quella del Tokamak.

Ciambella & campi magneticiIl Tokamak come "ciambella" & campi magnetici

Il tokamak è un dispositivo di forma  toroidale caratterizzato da un involucro cavo, costituente la "ciambella", in cui  il plasma  è confinato mediante un campo magnetico con linee di forza a spirale.

Questa  configurazione magnetica è ottenuta mediante la combinazione  di un intenso campo magnetico toroidale prodotto da bobine magnetiche poste intorno alla "ciambella", con un campo magnetico poloidale realizzato mediante la  corrente indotta nel plasma dall' esterno, quest ' ultimo necessario per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente.
Le particelle di plasma si avvitano intorno alle linee di forza del campo.

Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella "ciambella".

 La configurazione tipo Tokamak è comunque particolarmente stabile e permette  lunghi tempi di confinamento del plasma.

Plasma Heating

Essendo il plasma un conduttore elettrico, è possibile riscaldarlo  mediante una corrente indotta dall'esterno: il plasma nella "ciambella" si comporta come una spira cortocircuitata che costituisce il secondario di un trasformatore il cui primario è all'esterno.
La corrente indotta ha così il duplice scopo di creare il campo poloidale e di riscaldare il plasma a temperatura elevata (4 nella figura sottostante).
Questo tipo di riscaldamento è detto riscaldamento ohmico  o resistivo, obbedisce alla legge di Joule, ed è  analogo al riscaldamento di una  lampadina o di una stufetta elettrica.

Il Tokamak come "ciambella" & campi magnetici

 

Un limite a detto riscaldamento ohmico (4 in figura) è dato dal fatto che la resistività del plasma decresce al crescere della temperatura e la massima temperatura ottenibile nel plasma, è di alcuni milioni di gradi. Per raggiungere le temperature richieste per la fusione termonucleare è  necessario, quindi, ricorrere al riscaldamento supplementare, che si può realizzare:

  • per assorbimento nel plasma di onde elettromagnetiche, iniettate mediante guide d'onda o antenne che trasferiscono ad esso energia elettromagnetica (1 in figura);
  • per iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica che attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma (2 in figura);
  • per compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3 in figura).

     

 

Date un'occhiata a qualche filmato di Luce di Plasma
(durata circa 2s - necessario il plugin di QuickTime)
ripreso da una finestra del tokamak FTU:

Plasma light: 1sec movie15039.mov        Plasma light: 1sec movie15030.mov        Plasma light: 1sec movie13711.mpg

esempi presi dall'archivio "TV images of FTU plasmas".

 

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