Koel applica la scienza della chimica delle superfici alla ricerca sulla fusione presso PPPL

Bruce Koel, professore di ingegneria chimica e biologica a Princeton, sta lavorando con gli scienziati del Princeton Plasma Physics Lab per applicare la scienza della chimica delle superfici alla risoluzione di uno dei maggiori ostacoli alla fusione: come mantenere la reazione di fusione accesa per lunghi periodi. Nota: le foto in questa storia mostrano i ricercatori con attrezzature non in uso al momento della fotografia.

Foto di Elle Starkman

Nel laboratorio in fondo al corridoio del nuovo ufficio di Bruce Koel, la temperatura sta per salire di oltre 11 milioni di gradi centigradi in una camera grande quanto una vasca idromassaggio che culla l'energia di una stella ardente.

La camera è ospitata presso il Princeton Plasma Physics Lab (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dove gli scienziati stanno esplorando modi per sfruttare la fusione degli atomi, lo stesso processo che alimenta il sole e altre stelle, per fornire energia sicura, pulita e abbondante per case e imprese.

Koel, professore di ingegneria chimica e biologica all'Università di Princeton, si sta unendo agli scienziati del PPPL per affrontare la sfida di catturare l'energia del sole sulla Terra. Nominato alla facoltà di Princeton lo scorso anno, la competenza di Koel riguarda la chimica delle superfici. La sua missione al PPPL è applicare la scienza delle superfici per risolvere uno dei maggiori ostacoli che la fusione deve affrontare: come mantenere accesa la reazione di fusione per lunghi periodi.

La fusione degli atomi rilascia grandi quantità di energia, ma il processo può avvenire solo a temperature estremamente elevate. Affinché la fusione diventi la base della centrale elettrica del futuro, gli scienziati devono trovare modi per evitare il raffreddamento del processo.

Sorprendentemente, un sottile rivestimento metallico, largo appena un capello umano, sulla parete interna del reattore potrebbe aiutare a prevenire questo raffreddamento. Koel sta collaborando con gli scienziati PPPL per studiare i materiali per questo rivestimento. Il rivestimento più promettente è il litio, il metallo più leggero sulla Terra e l’unico metallo che galleggia sull’acqua.

Per studiare le interazioni del litio in condizioni simili a quelle che si potrebbero trovare in un reattore a fusione, il litio su un campione di molibdeno TZM, che è una lega di molibdeno, titanio, zirconio e carbonio nota per le sue proprietà di elevata resistenza e temperatura, viene riscaldato all'interno di una camera a vuoto ultraelevato dotata di una serie di spettrometri di elettroni e ioni.

Mantenere temperature nell’ordine di milioni di gradi è essenziale perché la fusione avviene quando determinate forme, o isotopi, di atomi di idrogeno diventano così riscaldati che i loro nuclei carichi positivamente si separano dai loro elettroni caricati negativamente per formare una nuvola carica chiamata plasma. Questi nuclei di idrogeno sfrecciano e si scontrano l'uno con l'altro ad alta velocità, provocando la fusione dei nuclei e il rilascio di energia.

Questo plasma è così caldo che solo un campo di forza magnetico, alloggiato all’interno di una camera cilindrica di acciaio inossidabile e rame, può contenerlo. Ma le particelle vaganti fuggono costantemente dalla nube carica e colpiscono la parete della camera, per poi rimbalzare nel plasma. Il ciclo delle particelle fredde nel gas rovente raffredda il plasma e lo rende turbolento e instabile.

Sebbene i pannelli di carbonio resistenti al calore rivestano l’interno della camera, non impediscono alle particelle di entrare e uscire dal plasma, che è confinato al centro del recipiente dal campo magnetico e non entra direttamente in contatto con le pareti della camera. "Non importa quanto sia caldo il centro, le pareti sono fredde", ha detto Richard Majeski, principale ricercatore fisico del PPPL e docente con il grado di professore di scienze astrofisiche. "È un po' come un cattivo isolamento in una casa."

Un rivestimento di litio all’interno della camera, tuttavia, può agire come una spugna, assorbendo le particelle vaganti che fuggono dalla reazione di fusione.

Koel (a destra) e lo studente laureato in ingegneria meccanica e aerospaziale Ryan Sullenberger (a sinistra) usano i raggi X per far esplodere gli elettroni dalla superficie di un campione e misurare le loro energie in questo dispositivo, uno spettrometro fotoelettronico a raggi X. Queste informazioni possono rivelare cosa succede al litio durante la fusione e aiutare i ricercatori a trovare modi per migliorare i rivestimenti al litio negli esperimenti sui reattori a fusione.