Nuovo modello predittivo per migliorare l’affidabilità delle centrali a fusione

I tokamak sono macchine progettate per riprodurre, in scala ridotta e controllata, la potenza del Sole. Questi dispositivi utilizzano potenti campi magnetici per confinare un plasma a temperature superiori a quelle del nucleo solare, spingendo gli atomi a fondersi e a liberare energia. Se riuscissero a operare in modo sicuro ed efficiente, potrebbero un giorno fornire un’energia pulita e virtualmente illimitata.

In tutto il mondo esistono oggi diversi tokamak sperimentali, destinati principalmente alla ricerca. Uno dei problemi più delicati riguarda la fase di “rampdown”, cioè lo spegnimento controllato del plasma, che circola a oltre 100 chilometri al secondo e raggiunge temperature superiori ai 100 milioni di gradi. Quando il plasma diventa instabile, è necessario ridurre rapidamente la corrente per evitare danni interni al dispositivo. Tuttavia, anche la fase di spegnimento può innescare ulteriori instabilità, causando graffi e piccole lesioni alle pareti interne del tokamak, con conseguenti costi e tempi di manutenzione significativi.

Per affrontare questa sfida, un gruppo di ricercatori del MIT ha sviluppato un metodo innovativo per prevedere il comportamento del plasma durante la fase di spegnimento. Combinando strumenti di machine learning con modelli fisici del plasma, il nuovo approccio consente di simulare in anticipo l’evoluzione e le possibili instabilità che si possono verificare mentre il plasma viene ridotto o spento. Il modello è stato addestrato su dati provenienti dal TCV, un tokamak sperimentale del Centro Svizzero del Plasma (EPFL), e ha dimostrato di saper prevedere con grande precisione l’andamento del plasma in diverse condizioni operative.

Il risultato è stato sorprendente: con un numero limitato di dati — solo poche centinaia di impulsi — il sistema ha raggiunto un’elevata accuratezza predittiva, un aspetto fondamentale considerando l’alto costo di ogni esperimento di fusione. Secondo i ricercatori, questa efficienza rappresenta un passo importante verso la sicurezza e l’affidabilità delle future centrali a fusione.

«Perché la fusione diventi una fonte energetica realmente utile deve essere affidabile», spiega Allen Wang, dottorando al MIT e autore principale dello studio. «E per esserlo, dobbiamo imparare a gestire bene i nostri plasmi».

Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nature Communications, è frutto della collaborazione tra il Plasma Science and Fusion Center del MIT, il Laboratory for Information and Decision Systems, la Commonwealth Fusion Systems (CFS) e il Centro Svizzero del Plasma.

I tokamak, la cui sigla deriva da un acronimo russo che significa “camera toroidale con bobine magnetiche”, furono sviluppati per la prima volta negli anni Cinquanta in Unione Sovietica. La loro forma a ciambella consente di mantenere il plasma confinato grazie a campi magnetici che ne guidano il moto. Finora gli esperimenti hanno operato su scala ridotta, ma i futuri reattori a fusione dovranno gestire plasmi di energia molto più elevata, dove anche una minima instabilità può avere effetti distruttivi.

Durante la fase di spegnimento, un equilibrio instabile tra calore, magnetismo e movimento del plasma rende difficile mantenere il controllo. Un’interruzione non controllata può generare flussi di calore intensi, in grado di danneggiare le pareti interne. Il nuovo modello sviluppato al MIT aiuta a prevenire proprio queste situazioni.

Invece di affidarsi unicamente a reti neurali che richiederebbero enormi quantità di dati, il team ha integrato l’intelligenza artificiale con un modello fisico già esistente, capace di simulare le leggi fondamentali della dinamica del plasma. Questo approccio ibrido ha permesso di ridurre drasticamente i dati necessari per l’addestramento.

Il modello è stato poi tradotto in un algoritmo pratico, capace di generare “traiettorie operative” che un sistema di controllo del tokamak può seguire automaticamente per regolare i campi magnetici o la temperatura, garantendo uno spegnimento stabile e sicuro. Nei test condotti in Svizzera, l’algoritmo ha permesso di eseguire spegnimenti più rapidi e privi di interruzioni, migliorando l’affidabilità generale dell’impianto.

Questo progresso si inserisce nel contesto dello sviluppo di SPARC, il reattore a fusione compatto progettato dalla Commonwealth Fusion Systems — una spin-off del MIT — che punta a produrre per la prima volta un plasma capace di generare più energia di quanta ne consumi.

«Stiamo affrontando le domande scientifiche fondamentali che servono per rendere la fusione un’energia d’uso quotidiano», conclude Wang. «Quello che abbiamo ottenuto è solo l’inizio di un lungo viaggio, ma rappresenta un passo concreto verso una fusione affidabile e sostenibile».