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Aug 03, 2023

Dietro le quinte di un esperimento di fusione nucleare da 200 milioni di dollari

How scientists and engineers make parts for a nuclear fusion experiment at the

Come scienziati e ingegneri realizzano parti per un esperimento di fusione nucleare presso il Princeton Plasma Physics Laboratory nel New Jersey.

Il macchinista senior Joe Diamond sta lavorando sulle piastre di transizione in acciaio inossidabile che verranno installate all'interno del recipiente del vuoto e sulla consolle centrale. (Emma Lee/PERCHÉ)

Questa storia è tratta da The Pulse, un podcast settimanale su salute e scienza.

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Il macchinista Joe Diamond ha realizzato parti per automobili, treni e sottomarini nucleari, ma ha affermato che una piastra di acciaio inossidabile è tra le cose più difficili che abbia dovuto realizzare.

Produce parti di macchine da più di 50 anni e ora lavora al Princeton Plasma Physics Laboratory. Il laboratorio conduce esperimenti sulla fusione nucleare, che gli scienziati sognano di utilizzare come fonte di energia sulla terra da più di mezzo secolo. E' ciò che accade al centro del sole.

Parte della difficoltà sta nel progettare e costruire l'attrezzatura per testare questo sulla Terra, ha detto Stefan Gerhardt, uno dei fisici che dirigono il progetto.

"È molto facile progettare qualcosa che nessuno sulla terra può costruire", ha detto. "E così, tutte queste idee fantasiose sulla fisica e sull'ingegneria della progettazione devono essere limitate da ciò che può essere fatto con denaro e tempo limitati, da persone reali, con macchine utensili reali. C'è una tensione costante nella mia attività nel valutare... quell'interazione . Questo è ciò che lo rende interessante e ciò che lo rende difficile."

La piastra di acciaio inossidabile che Joe Diamond deve realizzare è lunga circa 10 pollici, spessa mezzo pollice e ha la forma di un trapezio. La parte difficile è che le piastre sono affusolate e non hanno lo stesso spessore lungo tutto il percorso. Il diamante deve ritagliare un pezzo di acciaio inossidabile e radere con cura il metallo da un'estremità, in modo che risulti angolato nel modo giusto.

Per immaginare questo esperimento di fusione da 200 milioni di dollari, pensa a una mela alta 15 piedi, fatta di metallo. Quando la macchina è accesa, il nucleo della mela contiene un gas così caldo da raggiungere la temperatura del centro del sole, oltre 10 milioni di gradi Celsius. Ciò trasforma il gas in uno stato della materia completamente diverso, chiamato plasma. Il sole sfrutta la gravità per trattenere il plasma ultra caldo.

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Nell'esperimento, il nucleo della mela è rivolto verso il plasma ed è rivestito con piastrelle piatte di carbonio. Quelle piastrelle possono assorbire il calore e trasportarlo in sicurezza all'esterno.

Ma il problema è che il laboratorio non può realizzare una mela di metallo in modo tale che le piastrelle piatte coprano perfettamente la superficie del torsolo della mela. Per risolvere questo problema, gli scienziati hanno progettato le piastre di acciaio inossidabile in modo che si trovino da qualche parte tra il nucleo della mela e il guscio esterno e aiutino ad allineare le piastrelle di carbonio, che non possono essere spostate di più di 0,01 pollici.

Perché se le piastrelle di carbonio non sono allineate correttamente, potrebbero diventare troppo calde, parti di esso potrebbero cadere nel plasma e l'esperimento non diventerà così caldo come gli scienziati hanno bisogno che sia.

Ci è voluto quasi un anno per realizzare una pila di forse 10 di queste piastre di acciaio inossidabile e gli scienziati hanno apportato alcune modifiche, quindi ci vorrà più tempo.

Le potenziali conseguenze se si sbaglia qualcosa possono essere gravi. Nel 2016, il laboratorio aveva appena terminato un programma di aggiornamento quadriennale, ma poi uno dei magneti utilizzati per trattenere il plasma ultra caldo si è guastato. Il dispositivo è rimasto spento per mesi. L'allora direttore del laboratorio si dimise dopo una carriera durata otto anni. Un articolo di Science lo definì un duro colpo per il laboratorio.

Il fisico Stefan Gerhardt ha detto che hanno lavorato per assicurarsi che un errore del genere non si ripetesse e hanno aumentato i loro già elevati standard per le parti.

Ad esempio, ha detto che quando il laboratorio ha chiesto alle aziende di produrre più di questi magneti, il laboratorio ha testato i magneti tagliandoli per verificare la presenza di difetti nascosti, cosa che non avevano mai fatto prima per prototipare i magneti. Il laboratorio ha inoltre chiesto alle aziende produttrici di magneti di assicurarsi di disporre di una stanza pulita, priva di polvere o di altre lavorazioni metalliche che potrebbero contaminare i magneti realizzati.