Ordine e disordine delle particelle

Gli acceleratori di particelle sono grandi macchine che permettono di generare fasci di elettroni e protoni, spinti a velocità elevate contro un bersaglio. Studiando l’esito dei loro urti è possibile investigare le leggi dell’universo infinitamente piccolo, come le interazioni tra le particelle elementari, e dell’infinitamente grande, in ciò che governa il movimento di stelle e galassie. Esempi di grandi acceleratori sono quelli in funzione a Frascati e al Cern di Ginevra.

“Alcuni acceleratori sono progettati e realizzati per svolgere una diversa funzione, servono a produrre fasci di particelle neutre ad alta energia in grado di penetrare nel cuore di impianti sperimentali da fusione, dove per urti e collisioni con gli elettroni e ioni presenti nel gas di idrogeno, il combustibile confinato al loro interno, sono in grado di riscaldare il plasma fino a 150 milioni di gradi, così da innescare le reazioni di fusione e sostenere il plasma”, spiega Gianluigi Serianni dell’Istituto per la scienza e tecnologia dei plasmi (Istp) del Cnr-Consorzio Rfx. Questo tipo di acceleratore è già in uso in diverse parti del mondo, ma con dimensioni generalmente più ridotte rispetto al nuovo impianto per la produzione e iniezione di fasci di neutri in corso di realizzazione a Padova, che si spinge ben oltre per produrre fasci accelerati a 1 MeV (megaelettronvolt) richiesti per il sistema di riscaldamento del plasma di Iter e del prossimo reattore a fusione, con un balzo senza precedenti rispetto ai parametri degli esperimenti oggi in uso.

In entrambi i casi, sia per i grandi acceleratori dedicati allo studio della materia, sia per gli iniettori di fasci neutri di interesse fusionistico, “si tratta sempre di particelle cariche in movimento, il cui moto è governato dal campo elettrico”, svela Serianni. “Gli ingredienti sono sostanzialmente due: le particelle devono essere dotate di carica ed è necessario creare un campo elettrico, ad esempio applicando una differenza di potenziale tra due superfici, fra le quali si muovono le particelle”.

A questo stadio, il loro movimento è ordinato perché, avendo uguale carica ed essendo soggette alla stessa differenza di potenziale, le particelle acquistano la stessa energia dal campo elettrico. “Stiamo parlando dell’equivalenza tra energia elettrostatica ed energia cinetica, cioè tra l’energia che si prende dalla presa elettrica e l’energia che corrisponde all’essere in movimento”, continua il ricercatore del Cnr-Istp. Un po' come se stessimo osservando tanti soldatini, al posto delle particelle, in marcia uniti verso un’unica precisa direzione.

“Ovviamente, prima di riuscire a mettere in riga le particelle, nei nostri esperimenti e in particolare in Spider, la più potente sorgente di ioni negativi attualmente in funzione al mondo, dobbiamo generare le particelle cariche da accelerare nel fascio fino a 100 keV(kiloelettronvolt). Esse, per loro natura, si muovono originariamente in modo caotico, a bassa energia dell’ordine dell’elettronvolt; noi cerchiamo di costringerle a mettersi in marcia insieme in modo da penetrare ordinate nel plasma dei reattori a fusione, dove, collidendo con le particelle del plasma stesso, cedono loro parte della propria energia, in quantità variabile da urto ad urto. Ciò mette in moto nel plasma una velocità disordinata di particelle che ne innalza la temperatura”, spiega Serianni.

Per capire meglio, entriamo di nascosto nel cuore di un reattore a fusione e seguiamo le particelle nel loro gioco di movimento a 150 milioni di gradi centigradi. A quelle temperature, statisticamente ci sono particelle dotate di velocità diversa e accade che le più veloci, collidendo casualmente fra di loro, arrivino a unirsi. È il momento in cui avvengono le reazioni di fusione nucleare, che liberano una grande quantità di energia: quando questa sarà generata su larga scala, il crescente fabbisogno energetico mondiale potrà finalmente essere soddisfatto. “Non è cosa semplice se consideriamo i fattori di densità e di temperatura da controllare, ma la resa dovrebbe essere di 500 MW prodotti a fronte di 50MW necessari per tenere accesa la reazione, ovvero un fattore di amplificazione pari a 10” afferma il fisico.

L’esperimento di accelerazione di particelle neutre per il riscaldamento del plasma di Iter in corso a Padova, presso il Consorzio Rfx, ha come obiettivo il controllo di quella parte di moto ordinato che inietta energia nel plasma. “Perché i soldatini non marciano tutti sincronizzati, ma qualcuno tende a deviare un po' troppo e qualcuno si attarda un po’. Il nostro lavoro è quello di rimetterli in carreggiata delicatamente per non turbare il loro movimento d’insieme” conclude Serianni. “Oltre a questo, c’è molto lavoro da fare per avere un numero sufficiente di particelle da accelerare, senza infiltrati, cioè senza che intervengano altre particelle, come l’elio, a rovinare il gioco, cioè a diluire il combustibile e ad abbassare il numero di collisioni utili a produrre energia. Ma questa è tutta un’altra storia da raccontare”.

Fonte: Gianlugi Serianni, Istituto per la scienza e tecnologia dei plasmi  e Consorzio Rfx, e-mail: gianluigi.serianni@igi.cnr.it