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Iniezione di particelle neutre da ioni negativi

Iniezione di particelle neutre da ioni negativi

L’iniezione di particelle neutre da ioni negativi (in inglese Neutral Beam Injection) è uno dei principali metodi di riscaldamento del plasma nelle macchine da fusione a confinamento magnetico.

Di cosa si tratta e come si ottengono le temperature necessarie ad avvviare i processi di fusione nel futuro reattore a fusione?

Lo chiediamo a Vanno Toigo, ingegnere e primo ricercatore CNR al Consorzio RFX, Project Manager del Progetto NBTF.

Nei reattori a fusione, l’effetto ohmico dovuto alle alte correnti che circolano nel plasma non è sufficiente a portare il gas alle temperature necessarie perché le reazioni di fusione possano avvenire. È pertanto necessario ricorrere ad altri sistemi, detti sistemi di riscaldamento addizionale. Tra di essi il più importante è l’iniettore di particelle neutre.

“Per dare l’idea, pensiamo a un grande accendino in grado di produrre un fascio di particelle accelerate all’energia di 1 megaelettronvolt (MeV). Il fascio di particelle iniettato nel plasma, incontra le particelle del plasma, la cui energia è circa 100 volte inferiore, e avvia un numero enorme di intensissime collisioni. In questo modo cede la propria energia fino a riscaldare la materia all’interno del reattore a temperature mai misurate nell’Universo conosciuto”.

I sistemi di riscaldamento addizionale nei reattori a fusione

Come funziona il sistema di Iniezione di particelle neutre da ioni negativi?

Per generare particelle neutre ad alte energie, si utilizzano ioni negativi di idrogeno o deuterio che vengono estratti da unasorgente di plasma” e accelerati per mezzo di campi elettrostatici.

Cos’è una sorgente di plasma

La sorgente di plasma è un contenitore in cui viene iniettato il gas di processo (idrogeno o deuterio), il quale, per effetto di campi elettrici a radiofrequenza, si trasforma in un plasma a bassa energia da cui vengono poi estratti gli ioni negativi

Cosa sono gli acceleratori a campi elettrostatici

Gli acceleratori a campi elettrostatici sono costituiti da un sistema di piastre forate (griglie) alle quali è applicata una tensione elettrica e situate nel lato anteriore della sorgente. Attraverso i fori, gli ioni, particelle elettricamente cariche, vengono estratti e accelerati per effetto degli elevati campi elettrici prodotti dalla tensione.

Le particelle cariche accelerate vengono successivamente neutralizzate per permettere al fascio di passare indenne attraverso il campo magnetico che, negli esperimenti a fusione, imbriglia il plasma all’interno del reattore.

Cos’è il neutralizzatore

Il neutralizzatore è un componente in cui è presente del gas neutro della stessa specie a bassa pressione. Gli ioni negativi ad alta energia passando attraverso questo componente si scontrano con le molecole del gas. A causa degli urti, parte degli ioni perdono la carica elettrica e diventano neutri, senza però perdere la loro energia, e in tal modo proseguono indisturbati fino a penetrare nel plasma del reattore. Il sistema ha mediamente un’efficienza pari al 50 % che significa che solo il 50 % degli ioni diventano neutri e il resto rimangono ioni.

Gli ioni residui sono successivamente eliminati dal fascio per effetto di campi elettrici trasversali; vengono deviati lateralmente fino a intercettare le pareti laterali dove rimangono intrappolate. Data l’elevata energia associata, le pareti sono raffreddate ad acqua. Questo sistema si chiama “Residual Ion Dump“.

L’ultimo componente in linea con il fascio è il calorimetro. E’ costitito da due pareti di tubi raffreddati ad acqua che con un opportuno sistema di movimentazione possono assumere la configurazione detta “a V” e in questo caso intercettare il fascio di neutri, oppure rimanere parallele lasciando che il fascio esca indisturbato dall’iniettore.
Quando il calorimentro è chiuso, assorbe tutta la potenza del fascio e consente misure di potenza. Quando è aperto, l’iniettore è eroga la sua potenza al plasma

In questo caso, il fascio di particelle neutre in uscita dall’iniettore trasferisce la propria energia cinetica alle particelle del plasma all’interno del Tokamak, innalzando la temperatura fino al punto in cui le reazioni di fusione riescono a partire.

Il sistema NBI per ITER

ITER è il primo prototipo di reattore a fusione ed è oggi in costruzione in Francia nel quadro di una collaborazione mondiale tra 7 partner: Europa, Cina, Corea, Giappone, India, Russia e Stati Uniti d’America.

L’iniezione di particelle neutre da ioni negativi è un sistema largamente e da tempo utilizzato per riscaldare il plasma negli esperimenti a fusione già in funzione. La dimensione di ITER richiede tuttavia energia, potenza e continuità’ a parametri mai prima d’ora raggiunti.

ITER necessita di fasci di particelle più densi e particelle molto più veloci in grado di penetrare fino al cuore del reattore e garantire a ITER le condizioni di temperatura estreme, 150 milioni di gradi, necessarie ad accendere le reazioni di fusione.

Rispetto ai sistemi già sviluppati, il salto scientifico e tecnologico è enorme.

Le sfide tecnologiche da vincere per raggiungere le prestazioni richieste da ITER sono tali da rendere necessaria la realizzazione di Il Progetto NBTF un laboratorio dedicato
allo sviluppo del sistema di iniezione di neutri.
L’impianto NBTF è stato affidato all’Italia dalla comunità scientifica internazionale

Per questa ragione è stata decisa la realizzazione di un impianto di prova e sviluppo del sistema NBI, denominato Neutral Beam Test Facility – NBTF. L’impianto NBTF offrirà agli scienziati la possibilità di investigare aspetti di fisica e ingegneria molto impegnativi e di validare i concetti alla base del funzionamento del sistema, prima che sia installato su ITER.


La progettazione, realizzazione e conduzione dell’impianto NBTF è stata affidata all’Italia, in collaborazione con laboratori europei, giapponesi e indiani.

Accordi e partnership del progetto NBTF

Un primo accordo, in vigore dal 2012 al 2019, per la costruzione dell’impianto ha visto partner: l’Organizzazione ITER (IO), l’Europa, attraverso l’Agenzia europea Fusion for Energy (F4E) e l’Italia, attraverso il Consorzio RFX.
Durante questa fase hanno contribuito diversi laboratori europei: quali IPP-Garching, KIT-Karlsruhe, CCFE-Culham, CEA-Cadarache, Enti di ricerca italiani, attraverso alcuni dei loro istituti: CNR, ENEA, INAIL, Università’ di Padova e Milano Bicocca, e laboratori internazionali: QST (Giappone), IPR (India), NIFS (GIappone).

Durante questo primo accordo, sono stati progettati i componenti e le apparecchiature scientifiche dell’impianto per i quali sono stati lanciati tutti i contratti di fornitura, e si è completata la realizzazione dell’impianto.
Gli edifici e le infrastrutture sono state finanziate dal Governo italiano per circa 25 M€, mentre i componenti e gli impianti sperimentali sono stati forniti dai tre parnter di ITER: Europa, Giappone e India, attraverso le loro Domestic angencies: F4E, JADA, INDA per circa 250 Milioni di Euro.


Dal 2020 è in vigore il nuovo accordo per l’operazione degli esperimenti, con durata decennale, tra ITER e il Consorzio RFX, per un finanziamento complessivo pari a circa 150 Milioni di Euro.
A questo accordo si è aggiunta l’Europa, questa volta attraverso EUROfusion, mettendo a disposizione scienziati provenienti da diversi laboratori europei.