La gestione sicura dei reattori a fusione nucleare si scontra con una delle sfide più complesse dell'ingegneria moderna: come spegnere in modo controllato un plasma che raggiunge temperature superiori ai 100 milioni di gradi Celsius e velocità fino a 100 chilometri al secondo. Questa procedura, nota come "rampdown", rappresenta un momento critico per la sopravvivenza stessa delle macchine tokamak, i dispositivi sperimentali che potrebbero un giorno fornire energia pulita e illimitata. Un team di ricercatori del MIT ha ora sviluppato un sistema predittivo che potrebbe rivoluzionare la sicurezza di questi impianti futuristici.
Il dilemma del plasma instabile
I tokamak, il cui nome deriva dall'acronimo russo che significa "camera toroidale con bobine magnetiche", sono stati concepiti per la prima volta nell'Unione Sovietica negli anni '50. Questi dispositivi a forma di ciambella utilizzano campi magnetici potentissimi per confinare un gas riscaldato fino a trasformarlo in plasma, permettendo agli atomi di fondersi e rilasciare energia. Tuttavia, quando il plasma diventa instabile, gli operatori devono intervenire rapidamente per evitare danni catastrofici alle pareti interne del reattore.
Il paradosso che affligge questi sistemi è tanto sottile quanto pericoloso: proprio la procedura di spegnimento può destabilizzare ulteriormente il plasma. Come spiega Allen Wang, studente del MIT e autore principale dello studio pubblicato su Nature Communications: "È un equilibrio delicato. Spesso, specialmente con i plasma ad alte prestazioni, le procedure di spegnimento possono spingere il plasma più vicino ai limiti di instabilità".
La soluzione ibrida tra intelligenza artificiale e fisica
Piuttosto che affidarsi esclusivamente a reti neurali tradizionali, che avrebbero richiesto quantità enormi di dati sperimentali, i ricercatori del MIT hanno optato per un approccio innovativo. Hanno combinato strumenti di machine learning con modelli fisici consolidati che simulano la dinamica del plasma secondo le leggi fondamentali della fisica. Questa strategia ibrida ha permesso di ottenere previsioni accurate utilizzando relativamente pochi dati sperimentali.
Il modello è stato addestrato e testato utilizzando i dati del TCV (Tokamak à Configuration Variable), il reattore sperimentale gestito dal Centro Plasma Svizzero presso l'EPFL di Losanna. Con soltanto qualche centinaio di impulsi a basse prestazioni e una manciata di impulsi ad alte prestazioni, il sistema ha dimostrato di poter predire accuratamente l'evoluzione del plasma durante le fasi di spegnimento.
Dai laboratori alle centrali del futuro
L'efficacia del nuovo sistema è stata dimostrata attraverso test pratici sul reattore TCV, dove ha prodotto traiettorie di spegnimento più sicure e, in alcuni casi, più rapide rispetto ai metodi tradizionali. I ricercatori hanno anche sviluppato un algoritmo capace di tradurre le previsioni del modello in istruzioni pratiche che i controller dei tokamak possono eseguire automaticamente, regolando magneti e temperature per mantenere la stabilità del plasma.
La collaborazione con Commonwealth Fusion Systems, spin-off del MIT che sta sviluppando SPARC - il primo tokamak compatto progettato per produrre più energia di quanta ne consumi - rappresenta un ponte cruciale tra ricerca accademica e applicazione commerciale. L'obiettivo è ambizioso: rendere la fusione nucleare una fonte energetica affidabile e routinaria.
Verso una nuova era energetica
Mentre gli attuali tokamak sperimentali operano a scale energetiche relativamente basse, il futuro della fusione nucleare richiederà il controllo di plasma con energie enormemente superiori. Le interruzioni non controllate durante le fasi di spegnimento potrebbero generare flussi di calore così intensi da danneggiare irreparabilmente le pareti interne dei reattori, comportando costi di riparazione astronomici e periodi di inattività prolungati.
Come sottolinea Wang: "Per essere una fonte energetica utile, la fusione dovrà essere affidabile. E per essere affidabile, dobbiamo diventare esperti nella gestione dei nostri plasma". Il modello predittivo sviluppato dal team rappresenta solo l'inizio di un percorso ancora lungo, ma costituisce un passo significativo verso la realizzazione di centrali a fusione sicure e commercialmente viabili, aprendo la strada a una rivoluzione energetica che potrebbe cambiare per sempre il modo in cui l'umanità produce e consuma energia.
