Il Polywell è un dispositivo di confinamento del plasma che combina elementi di fusione a confinamento inerziale elettrostatico e a confinamento magnetico, concepito, in ultima analisi, per produrre energia da fusione nucleare. Il nome Polywell è l'unione delle parole poliedro e buca di potenziale (potential well).
Il Polywell consiste di avvolgimenti disposti in una configurazione poliedrica, all'interno della quale i campi magnetici confinano una nube di elettroni. Questa configurazione intrappola elettroni nel centro del dispositivo; si crea così un potenziale elettrico negativo quasi sferico che è utilizzato per accelerare e confinare gli ioni da fondere. Il Polywell è stato sviluppato da Robert W. Bussard (deceduto nel 2007) all'interno di un contratto di ricerca con la marina militare statunitense per il miglioramento del fusore di Farnsworth-Hirsch.
Progettazione Fusore di Farnsworth-Hirsch
Un fusore di Farnsworth-Hirsch tradizionale consiste in una camera a vuoto contenente una griglia esterna caricata positivamente che circonda una griglia interna caricata negativamente: nel complesso il dispositivo costituisce un grande tubo catodico a griglie sferiche. Nuclei atomici (ioni positivi) adatti alla fusione nucleare sono iniettati all'interno delle due griglie: gli ioni sono quindi respinti dalla griglia esterna e accelerati verso la griglia interna. Nella maggior parte dei passaggi gli ioni positivi attraversano la griglia interna senza interagire con altre particelle e sono nuovamente respinti verso il centro del dispositivo a causa del campo prodotto dalla griglia positiva che incontrano sul lato opposto a quello di iniezione. A seguito dei ripetuti passaggi è possibile che. occasionalmente, gli ioni positivi colpiscano la griglia interna o altri nuclei ad alta energia. Impatti particolarmente favorevoli tra due nuclei ad alta energia portano alla fusione nucleare. Dato che nel sistema non sono presenti campi magnetici esterni, le perdite per radiazione di sincrotrone sono molto limitate. Inoltre, il fatto che le particelle in moto siano ioni piuttosto che elettroni riduce di molto le perdite dovute alla radiazione di frenamento.
Il problema fondamentale con il fusore di Farnsworth-Hirsch tradizionale è la griglia centrale. Gli impatti tra i nuclei che non producono fusione hanno il solo effetto di danneggiare e riscaldare la struttura interna. Ben prima di raggiungere l'autosostentamento della fusione nucleare, la griglia interna viene vaporizzata dal calore prodotto.
L'approccio Polywell
Principio di funzionamento
Così come nel fusore, anche nel Polywell gli ioni positivi sono confinati grazie all'attrazione degli elettroni caricati negativamente, con la differenza sostanziale che nel Polywell le cariche negative non risiedono su una griglia solida ma sono confinate nella regione centrale tramite opportuni campi magnetici. Invece che da griglie caricate elettricamente, il volume del reattore è definito dagli avvolgimenti elettrici esterni che creano il campo magnetico. Il vantaggio degli avvolgimenti rispetto ai campi elettrostatici consiste nel fatto che il campo magnetico li protegge dall'impatto con ioni e elettroni. D'altra parte, la presenza di elettroni in movimento nella sezione centrale del Polywell aumenta di molto le perdite per Bremsstrahlung, che nel fusore sono molto più contenute.
Il campo magnetico è generato da una disposizione poliedrica degli avvolgimenti; grazie a questa disposizione si ottengono linee di campo magnetico che puntano tutte verso il centro o via dal centro. Lo scopo è quello di creare una bottiglia magnetica in cui ogni faccia del poliedro agisce da specchio magnetico con grande rapporto di campo, e in cui tutte le cuspidi del campo sono punti (invece che linee). Il campo magnetico è nullo al centro e il flusso magnetico si intensifica negli spazi tra una spira e l'altra. I campi magentici sono introdotti essenzialmente per confinare gli elettroni nella regione centrale del poliedro, per questo non sono particolarmente intensi..
I poliedri utilizzabili sono quelli che hanno un numero pari di facce ad ogni vertice, in modo che i poli degli avvolgimenti possano alternarsi. Sono infiniti i poliedri che soddisfano questa condizione, per esempio gli antiprismi, le bipiramidi 2n-gonali e tutti i poliedri rettificati (completamente troncati). La forma della buca di potenziale magnetica interna è il poliedro duale del poliedro esterno.
Una volta che è stato prodotto il campo magnetico desiderato, si introducono elettroni all'interno del dispositivo. Gli elettroni rimangono confinati nel volume centrale grazie agli specchi magnetici e producono una regione a potenziale elettrico negativo al centro del Polywell. Si introduce quindi un certo numero di ioni positivi - idealmente dotati di un unico valore di energia in ingresso - che iniziano a muoversi all'interno della buca di potenziale centrale creata dagli elettroni. Si forma quindi un plasma di cariche positive e negative oscillanti attorno al centro del Polywell e dotate di una certa probabilità di collisione reciproca. Una frazione degli urti tra gli ioni porta alla fusione dei nuclei, mentre una gran parte degli urti provoca scattering Coulombiano tra le particelle cariche e la dispersione dei valori di energia dei nuclei. Da notate che, per poter mantenere la buca centrale di potenziale negativo, il numero degli ioni iniettati deve essere una frazione del numero di elettroni presenti nel dispositivo.
Il metodo utilizzato da Bussard per stimare il numero delle effettive reazioni di fusione che avvengono nel nucleo consiste nel conteggio dei neutroni che fuoriescono dal dispositivo. Un flusso di neutroni maggiore corrisponde a un maggiore numero di reazioni di fusione nucleare, e viceversa.
Confronto con gli altri sistemi di confinamento Il Polywell è fortemente correlato al concetto del fusore nucleare, dato che entrambi i dispositivi confinano gli ioni tramite un campo diretto verso l'interno. Il campo di confinamento è elettrico nel fusore, mentre è magnetico nel Polywell. Entrambi i dispositivi operano con una distribuzione di energie ioniche altamente non-termica, idealmente mono-energetica. D'altra parte, collisioni Coulombiane tra le particelle cariche e instabilità collettive hanno la tendenza a creare un profilo di distribuzione termica delle energie, e quindi è necessario spendere lavoro esterno per mantenere la distribuzione mono-energetica.
Dato che nel Polywell le particelle cariche sono confinate magneticamente invece che elettricamente, il dispositivo fa parte della categoria dei dispositivi a fusione tramite confinamento magnetico; in particolare rientra nella categoria delle bottiglie magnetiche. In comune con le bottiglie magnetiche c'è il minimo del campo nella regione centrale, il confinamento dovuto in parte all'effetto specchio e in parte alla distribuzione non termica delle energie degli elettroni. A differenza delle bottiglie magnetiche convenzionali, il Polywell non solo presenta un minimo del campo nel centro ma, grazie alla simmetria poliedrica di linee entranti e uscenti il campo al centro risulta proprio nullo. Inoltre, il Polywell non ha un asse magnetico, ma piuttosto una serie di assi multipli simmetrici.
Possibilità di generare potenza netta Le principali difficoltà del Polyell nel raggiungere l'autosostentamento della fusione nucleare (e quindi la produzione netta di energia) sono rappresentate dall'emissione di radiazione di frenamento a seguito dello scattering Coulombiano e la conseguente dispersione dei valori di energia degli ioni positivi, che si allontanano dai valori ideali necessari per la fusione. In generale se le collisioni Coulombiane nel centro del dispositivo sono molto numerose la perdita di energia per Bremsstrahlung supera il guadagno prodotto dalla fusione dei nuclei e il Polywell non può funzionare come reattore a fusione.
Robert W. Bussard era convinto che il Polywell potesse produrre energia netta se alimentato con boro-11 e protoni (nuclei di idrogeno). Secondo Bussard, le elevate velocità e dunque le ridotte sezioni d'urto per collisioni Coulombiane degli ioni nel centro del dispositivo avrebbero reso le collisioni di termalizzazione molto improbabili, mentre la termalizzazione alla periferia del dispositovo dovuta alle basse velocità delle particelle cariche nelle regioni più deboli della buca di potenziale non avrebbe avuto un effetto rilevante sullo spettro di velocità degli ioni nelle regioni centrali.
Bussard riteneva anche che, utilizzando avvolgimenti superconduttori, le sole perdite di energia significative sarebbero state quelle elettroniche. Senza documentare i suoi calcoli Bussard stimava che, in queste condizioni, la potenza di fusione emessa sarebbe stata proporzionale alla settima potenza della dimensione caratteristica, mentre il guadagno energetico sarebbe stato proporzionale alla quinta potenza della dimensione caratteristica.
Queste stime - se verificate - consentirebbero a un modello dieci volte più grande dell'ultimo dispositivo testato da Bussard (il WB-6) di funzionare come una vera centrale nucleare a fusione.
Sviluppo del Polywell Nel 1985 Bussard fondò la EMC2, una società dedicata allo studio della fusione nucleare tramite Polyweel. I primi lavori vennero finanziati dalle agenzie di sicurezza Statunitensi (DTRA e DARPA). Nel 1987 Bussard ottenne un contratto di collaborazione con la Marina Statunitense che gli consentì di proseguire gli studi fino al 2005, anche se gran parte dei risultati dei suoi studi vennero coperti dal segreto militare, specialmente per il periodo compreso tra il 1994 e il 2005.
Nel corso dei questi anni vennero testate diverse possibili configurazioni per il Polywell. Oggi queste configurazioni prendono il nome di Whiffleball (abbreviato WB) e, con il progredire degli esperimenti, la quantità di energia intrappolata nel dispositivo è andata sempre crescendo. Anche la forma della configurazione poliedrica dei campi magnetici è stata ottimizzata nel corso degli esperimenti. Il WB-1 originale, ad esempio, utilizzava una configurazione cubica, il WB-6 usa la configurazione a cubottaedro, mentre il progettato WB-8 dovrebbe utilizzare un icosaedro.
Nel 2005, a conclusione della fase iniziale del progetto, la configurazione WB-6 ha prodotto un numero di reazioni di fusione stimato in 10^9 con reazioni Deuterio - Deuterio con una tensione di 12,5 kV (basato sul rilevamento di tre neutroni per test, con un ampio intervallo di fiducia). Egli dichiarò che il tasso di fusione del WB-6 (il sesto prototipo di Polywell) è circa 100.000 volte maggiore di quanto ottenuto da Farnsworth in condizioni simili di profondità del potenziale e regime di funzionamento.
Ricercatori indipendenti all'Università del Wisconsin-Madison hanno annunciato conteggi di neutroni fino a 5x10^9 al secondo a tensioni di 120 kV.
Con il successo del WB-6 Bussard credeva che il sistema avesse ormai dimostrato la capacità di produrre energia netta dalla fusione nucleare, al punto che, a suo parere, non erano più necessari altri modelli a scala intermedia prima di un vero reattore a fusione. Come faceva notare: "Siamo probabilmente le uniche persone nel pianeta che sanno come costruire un sistema di fusione nucleare di potenza pulita, che dia con certezza un bilancio energetico positivo". Bussard propose di ricostruire il WB-6 in maniera più robusta per verificare la sua performance. Dopo aver condotto e pubblicato i risultati di dozzine di test ripetibili Bussard, prima della sua morte, intendeva convocare una conferenza di esperti nel campo della fusione nucleare, nella speranza che lo seguissero nello sviluppo di un impianto dimostrativo a scala reale.