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La configurazione Reversed Field Pinch (RFP)

La configurazione Reversed Field Pinch
(o configurazione con strizione a campo rovesciato)
e’ una configurazione di
confinamento magnetico toroidale del plasma

Configurazione RFP

La configurazione Reversed Field Pinch (RFP) è caratterizzata dal fatto che il campo magnetico toroidale a bordo del plasma è diretto in direzione opposta rispetto al centro. Questo tipo di confinamento magnetico è utilizzato in alcune macchine sperimentali per lo studio della fisica dei plasmi come RFX-mod2.

Il vantaggio principale della RFP è la minor intensità di campo magnetico richiesta per il confinamento del plasma rispetto alle configurazioni Tokamak, in cui la maggior parte è creata dall’esterno, e Stellarator, in cui il campo magnetico viene generato integralmente da conduttori esterni.

Nella configurazione RFP buona parte del campo magnetico viene invece generato dal plasma stesso. Questo significa che i conduttori esterni di un RFP possono essere più semplici, in quanto devono produrre un campo magnetico di intensità minore rispetto alle altre configurazioni.

Inoltre, in un RFP, rispetto a un tokamak, allo stesso campo toroidale centrale corrisponde una corrente molto più elevata. Il riscaldamento per effetto ohmico e’ molto maggiore. Questo in linea di principio potrebbe consentire di raggiungere temperature termonucleari senza bisogno di riscaldamenti addizionali, una grande semplificazione per un reattore.

Il plasma RFP, quando la corrente supera un certo valore di soglia, si auto-organizza assumendo spontaneamente la forma di un’elica: in questa condizione la temperature e’ più elevata e il confinamento maggiormente stabile. Questa scoperta, effettuata nei nostri laboratori, ha valso una prestigiosa pubblicazione scientifica e una copertina del Nature Physics nel 2009.

Nei plasmi RFP possono essere presenti una o più di queste deformazioni elicoidali. Mentre negli esperimenti RFP fino agli anni 90 si osservavano solo situazioni in cui molte deformazioni elicoidali erano simultaneamente presenti, stati a Multipla Elicità. A partire dagli anno 2000 si sono scoperte transizioni a stati in cui una singola deformazione elicoidale domina sulle altre: Stati Elicoidali o a Quasi Singola elicità.

I magneti

Per ottenere un campo di questo genere vengono usati diversi tipi di magneti:

Avvolgimento magnetizzante
Genera il campo poloidale e induce la corrente del plasma. Il plasma RFP, così come quello del Tokamak, è caratterizzato da una corrente di plasma toroidale: tale corrente viene generata per effetto induttivo, come in un trasformatore. La variazione di corrente nel circuito primario, detto “magnetizzante”, induce una corrente nel plasma. Nell’esperimento RFX-mod si è raggiunta una corrente di plasma di 2 MA.

Avvolgimento di Field Shaping (FS)
è l’avvolgimento primario insieme al guscio stabilizzante, ed ha lo scopo di controllare l’equilibrio del plasma.

Avvolgimento toroidale
L’avvolgimento toroidale fornisce la componente toroidale del campo magnetico

Il Riscaldamento

La corrente indotta riscalda il plasma per effetto della legge di Ohm della resistenza elettrica. A differenza del Tokamak che invece necessita di riscaldamenti ausiliari, tra cui l’iniezioni di particelle energetiche. Questo “riscaldamento ohmico” costituisce l’unica fonte di riscaldamento del RFP.

La Scocca

Oltre ai conduttori esterni, la configurazione RFP necessita di una scocca perfettamente conduttiva. Tale struttura viene definita “scocca stabilizzatrice” perché in sua assenza il plasma sviluppa delle violente instabilità di campo magnetico che distruggono la configurazione e fanno sì che il plasma non sia più confinato.

La stabilizzazione del plasma

La stabilizzazione del plasma RFP avviene grazie alle correnti parassite, che sono correnti indotte da una variazione di campo magnetico dovuto all’avvicinamento del plasma. Questa corrente tende ad allontanare il plasma e quindi cerca di tenerlo nella sua posizione. Le correnti parassite possono scorrere lungo la scocca stabilizzatrice, ma poiché nessun materiale è perfettamente conduttivo tali correnti decadono dopo un certo lasso di tempo e la funzione stabilizzatrice della scocca viene persa.

Per ovviare a tale problema fondamentale occorrono opportuni conduttori nei quali scorrano correnti che svolgano la stessa funzione delle correnti parassite, come le bobine a sella.

Nel 2005 dei risultati sulla macchina RFX-mod hanno dimostrato che si possono generare delle correnti parassite controllate con delle bobine a sella inserite in un sistema di retroazione (feedback). Il sistema di feedback è stato ispirato da una tecnologia sviluppata per i sonar dei sottomarini.

Il sistema di bobine attive
RFX-mod è stato dotato di un sistema avanzato per il controllo del feedback di MHD. Il sistema si basa su 192 bobine a sella, che coprono tutta la camera da vuoto. Le bobine sono disposte in 48 posizioni toroidali, con 4 bobine poloidali ciascuna. Le bobine sono pilotate indipendentemente dai singoli alimentatori e possono produrre un campo magnetico radiale fino a 50 mT cc e 3,5 mT a 100 Hz.

Le correnti di plasma formano delle deformazioni tipiche che lo portano ad assumere una posizione elicoidale. Quando sono presenti più deformazioni formano delle figure di interferenza costruttiva o distruttiva. Se le perdite di energia si concentrano in un unico punto, fanno sì che la prima parete della macchina che contiene il plasma vada sotto stress. Con il sistema di bobine attive si cerca di ovviare a questo problema impedendo al plasma di sviluppare deformazioni dannose per l’esperimento

La Fisica dell’RFP

Il meccanismo di rovesciamento del campo toroidale

Il sostenimento ohmico della configurazione RFP è stato un importante problema teorico affrontato fin dagli inizi ed ha delle importanti similitudini con i plasmi astrofisici. L’astrofisico Lodewijk Woltjer, nel 1958, dimostrò che plasmi da fusione caratterizzati dall’inversione del campo magnetico si trovano anche nel cosmo, come nella Corona Solare.

Lo spazio - la fusione termonucleare
Fusione dell’idrogeno nello spazio

Il meccanismo dell’inversione del campo magnetico può essere illustrato in maniera relativamente semplice facendo ricorso ad un modello semplificato.

Immaginiamo di inserire un filo percorso da corrente in un cilindro metallico che è un conservatore di flusso di campo magnetico. Il filo è in equilibrio instabile, è cioè facile che si attorcigli, formando un’elica.
Il campo magnetico lungo l’asse, che rappresenta il campo toroidale BT, aumenta nello spazio vuoto interno all’elica.
Al di fuori dell’elica, poiché il flusso totale è conservato, il campo magnetico diminuisce. Se il raggio dell’elica aumenta, alla fine si raggiunge una situazione di equilibrio stabile, in cui il campo assiale al bordo è rovesciato.

Bibliografia

L. Marrelli, P. Martin, M.E. Puiatti, J.S. Sarff, B.E. Chapman, J.R. Drake, D.F. Escande, S. Masamune (2021) The reversed field pinch. Nuclear Fusion, Vol 61, Pag 023001. DOI:https://dx.doi.org/10.1088/1741-4326/abc06c

R. Lorenzini, E. Martines, P. Piovesan, D. Terranova, P. Zanca, M. Zuin, A. Alfier, D. Bonfiglio, F. Bonomo, A. Canton, S. Cappello, L. Carraro, R. Cavazzana, D. F. Escande, A. Fassina, P. Franz,
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