Fisicamente

di Roberto Renzetti

(Un futuro possibile ma, da oltre 60 anni, solo un sogno realizzatosi 2 volte per pochi secondi: nel 1997 si ottennero 22 megajoule per meno di un secondo, nel dicembre 2021 si sono ottenuti 59 megajoule di energia termica per 5 secondi* )

Roberto Renzetti

                    La fusione nucleare, come sappiamo, si realizza in natura sulle stelle ed è stata realizzata dall’uomo in modo terribilmente distruttivo nelle bombe H che vedremo nella sezione “armi nucleari”. Sono molti anni che si lavora alla realizzazione di un reattore nucleare che renda possibile l’uso pacifico di energia da fusione. Ancora non ci si riesce ma si deve continuare perché, mediante questa tecnica, sarebbe possibile sfruttare fonti energetiche praticamente inesauribili esistenti sulla Terra, come ad esempio l’idrogeno.

                    I problemi che si pongono sono enormi ed a tali problemi si sommano le inerzie dei governi nazionali che lesinano il denaro ed il freno delle multinazionali energetiche, particolarmente quelle del petrolio. I problemi tecnico-scientifici nascono da questioni primordiali molto comprensibili a tutti. Un fornello a gas ci dà una fiamma di circa 400 °C. Sopra questa fiamma, per cucinare, disponiamo una pentola, ad esempio, di alluminio che fonde a meno di 700 °C. Pensiamo ora che la fusione nucleare sul Sole si realizza a circa 6 000 °C (e con pressioni elevatissime) e che, sulla Terra, per realizzarla occorrono temperature che oscillano intorno ai 100 milioni di gradi (più di sei volte la temperatura all’ interno del Sole). Ecco questo cenno di dati dovrebbe far capire l’enorme difficoltà prima di raggiungere quelle folli temperature e poi di contenerle in un qualche recipiente. Nonostante le difficoltà, queste cose si sono fatte, resta da realizzare, simultaneamente svariate altre condizioni che tenterò di illustrare.

UNA CRONOLOGIA MINIMA

                    Gli avvenimenti importanti sulla strada della fusione sono cronologicamente elencati di seguito:

  •  

 fine anni ’20: Atkinson e Houtermans avanzano l’idea che il Sole possa brillare a seguito di reazioni termonucleari; dieci anni dopo fu postulato il ciclo di produzione energetica mediante fusione nucleare nel Sole;

  •  

nel 1923 Rutherford, Walton e Cockcroft osservarono la cattura di un protone da parte di un atomo di Litio 7, e la disintegrazione di quest’ultimo in due particelle alfa con liberazione di energia;

  •  

nel 1925 Rutherford, Oliphant ed Harteck ottennero la fusione di due deutoni che si trasformarono in un Elio 3 ed un neutrone o in un Trizio ed un protone, liberandosi in ambedue i casi, grande energia;

  • nel 1951 una bufala di Juan Perón, che aveva affermato di avere una centrale a fusione nucleare in funzione, spinse l’astrofisico Lyman Spitzer di Princeton a studiare il problema;
  •  

nel 1951 i fisici sovietici Andrej Sacharov ed Igor Tamm disegnarono quell’oggetto che più tardi si chiamerà tokamak;

  •  

da questo momento (ma anche prima) cade il silenzio su queste ricerche. Si lavora su di esse a fini militari … la bomba H ha già debuttato e suoi perfezionamenti bussano alla porta. Siamo in piena guerra fredda!

  •  

1958, Ginevra. Vi è la Conferenza Atomi per la Pace. Si capì che era necessario studiare più a fondo i plasmi e si dette il via a studi di base che occuparono gli anni successivi;

  •  

nel 1968 il tokamak sovietico riuscì a mostrare una possibile strada del confinamento magnetico ed avviò il mondo su macchine dello stesso tipo;

  •  

negli anni ’70 la fusione entrò nella big science per la mole dei finanziamenti che richiedeva. Si capì che per andare avanti occorrevano piani di collaborazione internazionale;

  •  

nel 1978 quella che allora si chiamava Comunità Europea mise in piedi uno dei progetti di studio di fusione più ambiziosi, il JET (Joint European Torus ovvero Toro europeo insieme) che si iniziò a costruire a Abingdon in Gran Bretagna. Nel giugno 1983 il JET produsse i primi plasmi e dette mostra di funzionare fino agli esperimenti del 1991 che con successo fusero deuterio e trizio;

  •  

nel 1978 il PLT (Princeton Large Torus) statunitense ha prodotto plasmi a doltre 60 milioni di gradi. Verso la metà degli anni ’80 iniziarono gli esperimenti con il TFTR (Tokamak Fusion Test Reactor ovvero: reattore per provare la fusione di tipo tokamak) particolarmente con mescole di deuterio e trizio (1993).

  •  

dal 1988 in Giappone si sono fatti esperimenti avanzati con il JT-60, tokamak di grandi dimensioni.

  •  

dal 1989 è entrato in funzione il tokamak FTU (Frascati Tokamak Upgrade) nei Laboratori Nazionali di Frascati. Questa macchina è il risultato di ricerche iniziate nel 1976.

QUALCHE DETTAGLIO SUI TOKAMAK

                    La prima macchina che ha studiato e tentato di realizzare la fusione in scala che sarebbe potuta diventare commerciale è ex sovietica e prende il nome di TOKAMAK, acronimo russo delle parole che la descrivono: TOroidalnaya KAmera MAgnitnaya Katushka, ovvero macchina a camera toroidale e avvolgimento magnetico. Fu sviluppata all’Istituto dell’Energia Atomica di Mosca alla fine degli anni ’60. Il toro è una figura geometrica che deriva il suo nome dal latino torus = cintura, cordone  (da non confondere con taurus, da cui il più familiare toro del mondo animale). La figura geometrica toro (Figura 0) ha quindi l’aspetto di un tubo chiuso 

Figura 0

ad anello che è proprio la forma che generalmente ha la camera centrale delle macchine che lavorano intorno alla fusione nucleare (il contenitore dell’anello verde di Figura 1 che rappresenta molto schematicamente un Tokamak).

Figura 1

            Dentro la camera toroidale vi è inizialmente un gas che deve essere portato a temperature gigantesche. Ed un gas, che ha la proprietà di ionizzarsi a temperature ordinarie, si ionizza completamente (i suoi atomi perdono tutti gli elettroni) alle temperature a cui si lavora. un gas in condizioni di totale ionizzazione si chiama plasma. Per far crescere la temperatura di quel gas si usa un sistema che ricorre a giganteschi campi magnetici. Sottoponendo un plasma a tali campi, si restringe in un toro  a sezione sempre più piccola con due effetti: da una parte ci si allontana dalle pareti del contenitore evitando il contatto con alte temperature, dall’altra si portano sempre più vicini tra loro i nuclei del gas da fondere. Naturalmente quanto dico è assolutamente banalizzato. I plasmi possono essere le miscele di nuclei più favorevoli alla fusione, ad esempio deuterio e trizio. In questo caso abbiamo a che fare con la coppia di elementi che ha bisogno della più bassa temperatura di innesco, circa 50 milioni di gradi centigradi. Il contenitore di tale elevata temperatura sarà, come accennato, il campo magnetico. Ma vi è un altro criterio cui bisogna rispondere per ottenere la produzione di energia da fusione, si tratta del criterio detto di Lawson. Durante il tempo di contenimento mediante campo magnetico del plasma scelto, l’energia liberata dalla fusione, ad una temperatura più alta di quella d’innesco, dovrebbe almeno essere uguale alla somma dell’energia persa attraverso processi radiativi più l’energia necessaria ad elevare l’energia termica del plasma alla temperatura considerata. In definitiva i parametri importanti per ottenere la fusione sono tre: la temperatura caratteristica di fusione (temperatura di ignizione) per un dato plasma (che si ottiene dall’equazione del bilancio energetico tra la potenza prodotta dalla fusione e le perdite di potenza dovute a vari fattori); la densità del plasma ed il tempo di confinamento. In pratica, disponendo di un plasma ad una data densità, esso dovrà essere compresso  magneticamente per un tempo minimo necessario a raggiungere la temperatura in cui iniziano a fondere i nuclei del plasma medesimo. A questo punto sarà la macchina a dare energia attraverso le reazioni di fissione nucleare.

            Per raggiungere la temperatura di ignizione si deve scaldare convenientemente il plasma per differenti vie:

1 – riscaldamento ohmico che consiste nello ionizzare la miscela (ad esempio) di deuterio e trizio ottenendo un plasma e quindi agendo sui campi magnetici rapidamente variabili che inducono un campo elettrico il quale, a sua volta, origina una corrente nel plasma che lo riscalda;

2 – riscaldamento per compressione magnetica (o adiabatica) che si ha aumentando bruscamente il campo magnetico toroidale, fatto che fa aumentare l’energia cinetica e quindi la temperatura del plasma; un campo elettrico toroidale mantiene una corrente elettrica, pure toroidale, che fluisce nel plasma e questa corrente, a sua volta, genera una componente del campo magnetico che è poloidale  (per questo tipo di riscaldamento si veda Figura 3);

3 – riscaldamento per pompaggio magnetico che si origina facendo variare periodicamente il campo magnetico;

4 – riscaldamento attraverso  microonde che devono avere la stessa frequenza con cui vibrano le particelle del plasma;

5 – riscaldamento per iniezione di fasci di atomi neutri (che possono penetrare nel plasma senza subire disturbo dalle cariche elettriche che lo costituiscono. Nel penetrare nel plasma questi fasci neutri si ionizzano e trasferiscono parte della loro energia cinetica al plasma per urto. Tale procedimento può essere applicato in combinazione con altri;

6 – riscaldamento per onde  d’urto è quello che si ottiene attraverso raggi laser di elevata potenza che vanno ad incidere sul plasma (si può anche operare attraverso elettroni accelerati o ioni pesanti). 

Alcuni di questi metodi di riscaldamento sono illustrati nella Figura 2:

http://www.fusione.enea.it/fusion/images/RISCPLA4.jpg

Figura 2

              Questa temperatura elevata, tendenzialmente, lavora per separare i nuclei degli atomi del plasma, essendo questi carichi tutti positivamente. Occorre quindi restringere lo spazio a disposizione del plasma mediante un suo confinamento che, nel caso in discussione, è magnetico (vi è poi da considerare un altro tipo di confinamento, quello inerziale).

                   C’è da osservare che, mentre fino ad ancora poco tempo fa (anni ’80)  si lavorava in modo semiempirico per modificare la geometria della macchina (o delle macchine), nei suoi infiniti parametri, proprio da allora iniziano delle teorie elaborate che ci fanno sperare sempre più nell’entrata in funzione commerciale di tali macchine. In Figura 3 vi è uno schema ancora più dettagliato di quello di Figura 1 di un tokamak. Nella Figura 4 vi è invece il dettaglio dei campi elettrici e magnetici dentro il plasma.

Figura 3

Figura 4

                   Per rendere conto delle dimensioni delle macchine che si stanno costruendo e con le quali si sperimenta (si tenga conto che il volume del plasma con cui si opera oscilla intorno ai 150 metri cubi), è utile la Figura 5, in cui è rappresentato l’interno del tokamak JET. Si noti che in questa macchina la figura toroidale ha già subito modificazioni importanti nella geometria. E’ anche interessante vedere l’immagine della macchia precedente con il plasma riscaldato al suo interno (Figura 6).

Figura 5

Figura 6

La Figura 7 mostra invece la stessa macchina vista dall’esterno e collegata ad una montagna di apparecchiature.

Figura 7

                    Con il progredire degli studi e con il variare delle tecniche e delle geometrie le camere toroidali si sono suddivise in almeno tre differenti tipi, a seconda del procedimento utilizzato per generare lo sviluppo ad elica del campo magnetico intorno al plasma:

  • i tokamak veri e propri (Figura 8);
  • gli stellatori (Figura 9);
  • macchine per costrizioni di campo inverso (reversed field pinch – Figura 10).

Nelle figure seguenti sono mostrate schematicamente le linee di forza del campo magnetico agenti sul plasma nei tre casi:

Figura 8

La struttura dei campi magnetici in un tokamak, già visti (Figure 3 e 4).

Figura 9

In uno stellatore la forma ad elica delle linee del campo magnetico si ottiene mediante una serie di avvolgimenti che, a loro volta ed in alcuni casi, possono avere forma elicoidale. Poiché lo stellatore non richiede il passaggio di una corrente attraverso il plasma per generare il campo magnetico, non ha trasformatore e può quindi funzionare a regime con continuità.

Figura 10

Le macchine a costrizione mediante campo inverso sono dei tokamak in cui circola una corrente molto elevata che provoca una riorganizzazione interna al plasma dei campi magnetici tale da invertire la direzione del campo toroidale nella parte centrale del plasma. Le componenti toroidali e poloidali del campo hanno intensità dello stesso ordine di grandezza.

                    Fin qui abbiamo parlato del solo confinamento magnetico. Resta ora solo da accennare al confinamento inerziale.

                    In questo caso si tratta di far interagire fasci laser (con energia vicina ai 5 MJ) o elettroni accelerati contro una piccola pastiglia (circa 1,5 millimetri di raggio)  di plutonio (circa 0, 200 grammi) circondata da una cappa sferica (di meno di 2 millimetri di spessore) di un composto del deuterio contenente impurità di trizio (ricordo che la reazione di fusione Deuterio – Trizio  è la più facile da realizzare ed è  anche la più efficiente al fine della produzione di energia). L’urto tra il fascio laser e la pastiglia origina la compressione del plutonio portandolo ad una densità di circa 250 volte quella iniziale e della buccia sovrapposta portandola a densità di oltre 4000 volte la iniziale. In linea di principio il plutonio nelle condizioni accennate origina una microesplosione nucleare (fissione) che eleva le temperature al punto da innescare la fusione nella cappa che lo ricopre. La superficie della sferetta evapora  e, secondo il principio di azione e reazione, il combustibile viene compresso e riscaldato. Si realizza così la condizione di altissima densità del plasma anche se per tempi di confinamento molto brevi. Le figura 11 e 12 mostrano, rispettivamente, l’esterno e l’interno di una camera in cui si realizza il confinamento inerziale.

Figura 11

Camera di combustione dell’istallazione laser-fissione-fusione Nova. Lawrence Livermore Laboratory, USA.

Figura 12

Interno della camera di combustione dell’istallazione laser-fissione-fusione Nova. Lawrence Livermore Laboratory, USA.

                    Questo processo è interessante ma abbisogna ancora di laser di energia sufficientemente elevata. In ogni caso la Figura 13 mostra un possibile arrangiamento che permetterebbe lo sfruttamento della fusione prodotta in questo modo.

Figura 13

                    Il modo, invece, di estrazione del calore, e quindi dell’energia prodotta dalla fusione, con un sistema di confinamento magnetico è mostrato nelle figure 14 e 15.

Figura 14

Figura 15

                    Per concludere, nelle figure 16 e 17 sono riportate le foto delle principali macchine per la fusione in studio nel mondo.

Figura 16

Figura 17

                    Altri progetti, ancora più avanzati, sono oggi in studio (PBFA 2, la macchina Z, ITER, DEMO, …) e, presto o tardi li descriverò. Si spera di avere presto dei risultati (comunque non prima del 2040) che possano permettere l’utilizzo commerciale dell’energia da fusione. In linea di principio i problemi ambientali dovrebbero essere minimi a fronte di disponibilità di combustibile praticamente infinita. 

                    Un breve commento in chiusura lo merita il progetto internazionale ITER. 

“””Mentre esiste un discreto accordo (anche se non unanime) tra i ricercatori su come procedere, ed è stato anche redatto un progetto, la quantità di risorse necessaria ha dissuaso i singoli stati dall’imbarcarsi in questa impresa. Viceversa, è stato raggiunto un consenso sul fatto che questo progetto, denominato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), dovrà essere realizzato sotto forma di collaborazione internazionale.

Purtroppo, il raggiungimento di un accordo in materia si è dimostrato difficile. In particolare nel 1998, quando il progetto era praticamente pronto, gli USA si sono ritirati, e questo ha portato a un sostanziale congelamento delle attività. L’anno scorso gli Stati Uniti hanno cambiato idea, e questo ha portato nuovo impulso. Attualmente si stanno svolgendo dei negoziati tra i partecipanti all’impresa, cioè Europa, USA, Giappone, Russia, Cina e Corea del Sud, per suddividere i costi e decidere i dettagli “politici”, primo fra tutti la localizzazione del sito dell’esperimento. La scelta tra i due candidati, Cadarache nel sud della Francia e Rokkasho in Giappone, si sta rivelando non facile, non per ragioni tecniche ma per rivalità politiche, alle quali hanno contribuito le recenti vicende della guerra irachena e i conseguenti contrasti tra la Francia e gli USA (che difatti appoggiano il sito giapponese). E’ da notare comunque che il costo totale del progetto, che è di 4,7 miliardi di Euro, pur nella sua rilevanza ammonta ad appena lo 0,5% delle spese militari mondiali annuali. Ma quali sono le prospettive di questa tecnologia? Iniziamo col dire che si prevedono tempi molto lunghi perché sia effettivamente possibile immettere in rete elettricità prodotta da centrali a fusione. La sola costruzione di ITER, una volta che siano risolti i problemi negoziali, durerà 8 anni, a cui faranno seguito 10 anni di sperimentazione. Di seguito dovrebbe essere possibile costruire un vero reattore dimostrativo, al quale seguiranno le centrali commerciali. Complessivamente, sembra molto difficile che si arrivi a uno sfruttamento commerciale della fusione prima dell’anno 2040. Va notato che i problemi legati al progressivo esaurimento delle riserve di petrolio e metano e al cambiamento climatico indotto dall’uso di questi combustibili si manifesteranno ben prima
.“”” 


[Emilio Martines, ricercatore CNR, Redazione Cunegonda Italia]

BIBLIOGRAFIA

1 – Consorcio Fusion Expo – Dominar la energia de las estrellas – Opuscolo illustrativo dei programmi di fusione, 1995.

2 – B. Coppi, J. Rem – Il Tokamak e la fusione termonucleare controllata – Le Scienze n° 50, 1972.

3 – AA. VV. – Energy sources & development – Simposio internacional sobre fuentes de energia y desarrollo – Moneda y Credito, Madrid 1977.

4 – E. Bertolini – Il progetto JET – Il Saggiatore 5/6, 1996.

5 – (a cura di Carlo Bernardini) – Le risorse energetiche – Quaderni Le Scienze n° 129, dicembre 2002.

________________________________________

*

Fusione nucleare, Jet di Eurofusion: mai così vicini all’energia pulita che imita il Sole

diMassimo Sideri

Riuscito l’esperimento del Joint European Torus. Ma la roadmap è lunga: «Pensare a una centrale a fusione nucleare che possa produrre energia elettrica a scopo industriale ci vorrà ancora molto tempo: dopo il 2050» dice la fisica italiana Paola Batistoni

Campagne dell’Oxfordshire. Nebbia, deuterio-trizio e speranze di una Terra sostenibile. Siamo nel Jet, il Joint European Torus del Culham Center, in sostanza il maggiore impianto di fusione nucleare per fini sperimentali del mondo. Per capire il sofferto ed entusiasmante record mondiale (anche italiano) sulla via che ci porterà con molta pazienza all’energia pulita del sole ottenuto ieri – 59 megajoule di energia totale prodotta dall’impianto e tenuta per 5 secondi, come una nuova stella, un’eternità (come vedremo) dal punto di vista tecnologico – bisogna fare un veloce salto indietro alla fine della Guerra Fredda e risalire all’accordo stretto nel 1985 tra il presidente degli Stati Uniti, Ronald Reagan, e l’ultimo leader dell’Unione Sovietica, Mikhail Gorbaciov, che pose uno dei mattoni per sperimentare la fusione nucleare.

L’uso pacifico del nucleare, anche se dimenticato, ha difatti avuto un ruolo nel disgelo tra i due blocchi, tanto che fin dagli anni 50 gli scienziati russi e anglosassoni iniziarono a condividere le ricerche con una specie di diplomazia della scienza. Ancora oggi, anche nel centro dell’Oxfordshire, la tecnologia usata è di derivazione russa e dei primi anni Cinquanta (il tokamak). La fusione nucleare (da non confondere con la fissione, cioè la rottura dell’atomo a cui colleghiamo il premio Nobel per la fisica, Enrico Fermi) non è solo un desiderio degli scienziati ma, a questo punto, è anche una necessità per la sostenibilità ambientale.

«Con l’esperimento del Jet abbiamo dimostrato – spiega Paola Batistoni, responsabile della divisione fusione nucleare dell’Enea – che possiamo controllare una produzione di energia sicura, con basso impatto di CO2 e stabile. I 5 secondi sono tantissimi, perché a differenza della fissione nucleare la fusione si spegne, se non alimentata, in pochi attimi di secondo. Ed è proprio questo che la rende sicura. Inoltre anche il tema delle scorie radioattive, anche se non del tutto azzerato, è molto ridotto con questo tipo di tecnologia».

Il risultato è stato comunicato ieri dal consorzio Eurofusion, ma ha visto la partecipazione diretta, oltre che dell’Enea, anche del Cnr, e di molte altre istituzioni. Ed è solo un trampolino di lancio: la roadmap europea prevede già le prossime tappe, anche se, avverte Batistoni, per «pensare a una centrale a fusione nucleare che possa produrre energia elettrica a scopo industriale ci vorrà ancora molto tempo: dopo il 2050». Così è come funziona la scienza. Il Cnr, già negli anni Venti, aveva iniziato a pensare all’energia eolica. Ci vuole visione, pazienza (e finanziamenti).

Il livello di energia ottenuto ha raddoppiato e superato il precedente record di 21,7 megajoule stabilito nel 1997 sempre nello stesso impianto. Il record e i dati scientifici ottenuti durante questa cruciale campagna sperimentale sono una conferma per il successo di Iter, la versione più grande e avanzata di Jet: si tratta di un progetto di ricerca sulla fusione in corso di realizzazione a Cadarache, nel sud della Francia, sostenuto da sette partner (Cina, Unione Europea, India, Giappone, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti d’America), che mira a dimostrare la fattibilità tecnica e scientifica dell’energia da fusione.

Il salto sarà quantico perché i 5 secondi sono l’attuale limite ingegneristico dell’impianto attuale che andrà verso la rottamazione una volta partito quello nuovo in Francia. L’Europa ha appena stanziato 550 milioni di euro per procedere sulla ricerca scientifica in questo campo e l’Italia, con 90 milioni, è il secondo Paese per finanziamenti, dopo la Germania. «Con Iter – conclude Batistoni – puntiamo a produrre 500 megawatt di potenza per decine di minuti, potenzialmente». Un piccolo passo per l’impianto, un grande passo per l’umanità.

_______________________________________________________

La fusione nucleare potrebbe creare energia senza scorie

Adam VaughanNew ScientistRegno Unito

10 febbraio 2022

Un fiume di calore bianco si snoda sul fondo di una macchina a forma di ciambella, prima che la luce rovente salga fino a riempire lo spazio e svanisca, lasciando solo il buio. È questo il momento in cui un esperimento europeo per riprodurre il processo che alimenta il Sole, chiamato energia da fusione, ha stabilito un nuovo record mondiale.

L’esperimento – effettuato presso il Joint european torus (Jet) di Oxford il 21 dicembre 2021 – ha mantenuto incandescente per cinque secondi il plasma, producendo una quantità record di 59 megajoule di energia termica. Il precedente record del Jet era di 22 megajoule per meno di un secondo, stabilito nel 1997.

“Non è un risultato inaspettato. È in realtà il punto d’arrivo di un lavoro che va avanti da anni, e il risultato è in linea con quello che speravamo. Provo un certo sollievo”, dice Volker Naulin, dell’équipe di EuroFusion, un consorzio di gruppi di ricerca sulla fusione. La fusione nucleare promette una fornitura continua di energia a basso contenuto di emissioni, ma senza il problema delle scorie radioattive del suo sistema cugino, l’energia nucleare da fissione.

Questo nuovo record è significativo perché indica che l’uso commerciale dell’energia da fusione potrebbe diventare una realtà. Anche se cinque secondi potrebbero non sembrare un tempo così lungo, è il massimo che i magneti di rame del Jet possono gestire. Secondo Naulin, la durata e la produzione mostrano che l’attuale comprensione della fisica del plasma è corretta. Il risultato suggerisce che la macchina di fusione di tipo tokamak, molto più grande e potente, in costruzione nel sud della Francia, chiamata Iter, potrebbe raggiungere i suoi obiettivi quando sarà accesa nel 2025.

Nuovi materiali
Gli obiettivi, in questo caso, sono generare più potenza di quella immessa – il traguardo tanto atteso dell’energia da fusione – e di farlo per un periodo di tempo sostenuto, inizialmente circa cinquanta minuti. Naulin dice che il nuovo record del Jet è un segno che la modellazione realizzata per Iter è corretta. “È davvero la conferma che i calcoli fatti non sono un numero di fantasia”.

Il grande cambiamento tecnologico che ha permesso il nuovo record è stato l’eliminazione dalle pareti del Jet dei materiali a base di carbonio, come la grafite, che agiscono come una spugna per gli isotopi di idrogeno usati per creare il plasma. Stavolta nella parete sono stati usati metalli come il tungsteno e il berillio, simili a quelli che saranno usati per Iter.

Il risultato è arrivato dopo una serie di “iniezioni” di plasma generate presso il Jet tra settembre e dicembre, che erano state ritardate di circa un anno a causa della pandemia. Era la prima volta, dopo più di vent’anni, che al Jet si tentava di usare una miscela di due tipi di isotopo di idrogeno: deuterio e trizio. Nella maggior parte dei test degli ultimi anni era stato usato solo il deuterio. L’uso contemporaneo di entrambi permette una fusione a temperature più basse, e i ricercatori della fusione considerano il materiale come il combustibile più efficiente per una futura centrale elettrica.

Juan Matthews dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, dice che la portata del nuovo record stabilito al Jet è “molto più significativa” rispetto al tentativo dello scorso agosto in un impianto statunitense che usava dei laser e un approccio completamente diverso per innescare la fusione.

“Il Jet si sta avvicinando al pareggio energetico, con una potenza vicina a quella usata per far funzionare il reattore”, dice. “Dobbiamo ricordare che il Jet sta usando vero combustibile fatto di trizio e deuterio, e questi test a impulso saranno preziosi per assicurarsi che Iter possa funzionare a regime una volta entrato in funzione”.

(Traduzione di Federico Ferrone)

Questo articolo è stato pubblicato sul sito del settimanale New Scientist.

________________________________________________________________________________

Fusione nucleare: record da un esperimento europeo

Scienza e Ricerca

Un test in laboratorio è riuscito a generare 59 megajoule in 5 secondi, battendo il record di 25 anni fa di ben due misure di lunghezza.

Nuovi risultati raggiunti per la fusione nucleare da parte degli scienziati del laboratorio Joint European Torus del Culham Centre in Gran Bretagna. Un test è riuscito a produrre 59 megajoule in 5 secondi, circa 11 megawatt di potenza, un risultato doppio a quello raggiunto ormai 25 anni fa.

La fusione nucleare differisce dalla fissione sotto molteplici aspetti: in primis è un metodo nuovo che permette di generare energia unendo due nuclei leggeri di idrogeno. L’operazione, oltre a generare energia, produce anche una molecola di elio, molto utili (contro invece i rifiuti radioattivi generati dalla fissione). Ciò che però fa puntare molto su questo tipo di reazione è la materia prima necessaria: nella fusione è l’acqua, nella fissione invece l’uranio.

Record che raddoppia il risultato ottenuto 25 anni fa con la fusione nucleare

La differenza tra l’esperimento di 25 anni fa e quello odierno riguarda un semplice cambiamento fatto al reattore: è stato infatti modificato per essere più simile a Iter, il reattore sperimentale che potrebbe effettivamente rendere la fusione nucleare un tipo di energia funzionale. La comunità scientifica è più che entusiasta dal risultato raggiunto, il presidente del Cnr Maria Chiara Carrozza ha commentato:

Un passo cruciale verso la produzione in futuro di energia abbondante ed eco-sostenibile.

Nonostante la fusione nucleare sia più difficile da attuare visto che serve una grande pressione per far scontrare le particelle, c’è da dire che è la stessa che genera energia e permette alle stelle di alimentarsi. Il Presidente dell’Enea, Gilberto Dialuce, ha detto:

Il processo di fusione unisce, fino a fondersi ad altissima temperatura, nuclei di elementi leggeri come l’idrogeno, che si trasformano in elio, rilasciando una quantità enorme di energia sotto forma di calore. La fusione è intrinsecamente sicura perché per sua natura non può innescare processi incontrollati.

Questo risultato fa ben sperare quindi per l’arrivo del nuovo reattore Iter, che potrebbe davvero rivoluzionare l’idea di fusione nucleare.

Fine modulo

CBatistoni, così accendo l’energia del futuro

All’inizio fusione nucleare era dominio maschile, ora più donne

Redazione ANSA  

11 febbraio 202212:49

Rappresentazione grafica della macchina sperimentale per la fusione nucleare Dtt (fonte: Enea/DTT) –

E’ fra le pochissime donne impegnate in un settore di frontiera come la ricerca sulla fusione nucleare e per lei accendere l’energia del futuro significa anche accendere l’entusiasmo delle ragazze per la ricerca: “la carriera scientifica è meravigliosa e bellissima, arricchisce molto la vita”, dice all’ANSA Paola Batistoni, responsabile della sezione Sviluppo e promozione della fusione dell’Enea.

Cominciata studiando l’astronomia, la sua ricerca l’ha portata adesso a cercare di accendere le stelle sulla Terra, nel cuore dei reattori sperimentali come il Jet, la macchina europea che ha appena segnato un nuovo record.

“Sono arrivata a lavorare nella fusione nucleare per caso e per le vicende della vita: dopo la laurea in fisica, nella quale ho approfondito lo studio dell’astrofisica e dei plasmi, sono arrivata a studiare i plasmi che di generano nei reattori per la fusione nucleare” e lo fa, aggiunge, lavorando “moltissimo, con molto piacere, gioia e soddisfazione”.

Il ritmo delle giornata è serrato, ma avere il tempo per riflettere sugli obiettivi delle ricerche alla quali si lavora è importantissimo. Ogni giorno, dice Batistoni, “mi chiedo quali siano il senso e utilità del mio lavoro, il valore di impegnarsi in un campo nuovo. E la risposta è che la nostra società ha bisogno di una forma di energia che abbia poco impatto ambientale, che non produca gas che non alteri il clima”.

E’ una sfida che si aggiunge alla prima che ha affrontato: “quando ho cominciato, quasi nessuna ricercatrice lavorava sulla fusione nucleare. Sono entrata in un ambiente veramente dominato dagli uomini e mi ha aiutato il fatto di avere avuto una buona educazione in famiglia: sono stata educata come persona, non come femmina o maschio, dentro casa non ho trovato le influenze culturali che ancora ci sono nella società. E’ importante impegnarsi per rimuoverle”.

Ora le cose stanno cambiando e nella fusione nucleare lavorano “molte colleghe donne, sono in numero crescente e sono molto brave, ma ancora vedo che ci sono difficoltà a emergere, ci sono meccanismi di cooptazione che resistono, Di conseguenza – osserva – le donne devono essere doppiamente brave per poter emergere”.

La terza sfida è riuscire a conciliare il lavoro di ricerca con gli impegni in casa: “ho una famiglia e un figlio. Ricordo che avevo paura di trascuralo, al punto che tante volte lo portavo con me in laboratorio, dove disegnava con i suoi pennarelli, ma poi ha capito e per lui non è stato un messaggio negativo che la mamma fosse impegnata. Ho fatto questo lavoro con tanta gioia e con tanto piacere e anche lui ne ha risentito in modo positivo”.

  • Quali sono i vantaggi della fusione nucleare?
  • Quali sono i vantaggi della fusione e i suoi svantaggi? Il primo è più evidente vantaggio della fusione nucleare è la produzione di energia elettrica senza immissione in atmosfera né di elementi inquinanti come ossidi di azoto od ossidi di zolfo né di anidride carbonica, il principale gas ad effetto serra.
  • Qual è il problema principale della fusione nucleare?
  • Il problema principale è l’impatto del calore sui materiali del reattore. Nel reattore solare la fusione nucleare è il concorso di quattro fattori: l’immensa gravità, la temperatura e il tempo (probabilità) a disposizione per le reazioni.
  •  
  •  

 La fisica del Tokamak – la centrale a fusione

Home / Le nostre attività di ricerca / Confinamento magnetico / La fisica del Tokamak – la centrale a fusione

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

https://www.igi.cnr.it/wp-content/uploads/2020/05/iter_hd2-1110x907.jpgReattore ITER, immagine di Christophe Martin – illustration-scientifique.com

Il Tokamak che sta per “camera toroidale magnetica” in russo ed è una macchina per la fusione termonucleare controllata di forma toroidale, simile ad una ciambella. Al suo interno c’è il plasma, un gas caldissimo e rarefatto, di ioni ed elettroni,  che viene mantenuto lontano dalle pareti interne grazie ad un campo magnetico. Infatti, in un campo magnetico le particelle dotate di carica elettrica non possono muoversi liberamente ma sono costrette a seguire la direzione del campo stesso. Nel Tokamak il campo magnetico si richiude su se stesso percorrendo la ciambella , senza mai intercettare il contenitore fisico.

Nel sud della  Francia,  a Cadarache,  è in costruzione ITER, il primo reattore sperimentale  che avrà lo scopo di dimostrare la fattibilità dell’energia da fusione producendone in quantità significative.  Si prevede che il primo plasma venga accesso nel 2025.

Il principio di funzionamento di una centrale a fusione è analogo a quello di una centrale  convenzionale: una sorgente di calore  riscalda del vapore che va ad azionare delle turbine. Queste ultime attivano gli alternatori che producono energia elettrica.
La differenza sostanziale in una centrale che usa carbone o gas è nel reattore.

LA REAZIONE

Il reattore a fusione sfrutta  un processo analogo a quello che tiene accese le stelle ed il Sole. Due nuclei leggeri come Deuterio e Trizio, entrambi isotopi dell’Idrogeno l’elemento più abbondante nell’universo, scontrandosi tra di loro si fondono trasformandosi in un  altro elemento assolutamente innocuo: l’ Elio. Nel processo viene prodotta anche una grande quantità di energia.

Nei reattori si userà come carburante Deuterio Trizio, che sono più “facili” da far fondere dell’Idrogeno. Deuterio e Trizio fondono, ovvero reagiscono, a energie più basse rispetto ad altri elementi leggeri come l’Idrogeno o l’Elio. è per questo che sono stati scelto come combustibile per il primo reattore a fusione.

Come è funziona un esperimento in configurazione Tokamak

https://www.igi.cnr.it/wp-content/uploads/2020/10/Tokamak_fields_lg.pngImmagine tratta da Wikimedia

Per  confinare il plasma in una macchina in configurazione tokamak i campi magnetici devono essere di tre tipi:

  • campi toroidale,  che viene prodotto dalle bobine toroidali. Queste bobine hanno lo scopo di formare un campo magnetico lungo l’asse di simmetria della macchina, obbligando, in questo modo, le particelle cariche del plasma a fluire lungo quella direzione.
  • campi verticale sono prodotti da delle bobine esterne che permettono di controllare la posizione del plasma
  • campo poloidale  che è generato dalla corrente elettrica che fluisce nel plasma stesso e  mantiene in equilibrio il plasma

VANTAGGI DELLA FUSIONE

L’abbondanza Del Combustibile Della Fusione

Il Deuterio è un isotopo dell’Idrogeno che si trova comunemente nell’acqua del mare. Un grammo di Deuterio si presenta disciolto in circa 30 litri d’acqua. È quindi un materiale molto comune e facile da reperire. Il Trizio, elemento debolmente radiativo, che decade in circa 12 anni, non esiste in natura ma si può ricavare, direttamente all’interno del reattore, attraverso il Litio. Anche il Litio è abbondante sulla Terra nelle rocce.

Si pensi che 1 g di Deuterio, quando sottoposto alla reazione di fusione, produce una quantità di energia che è pari a quella che si otterrebbe bruciando 30 tonnellate di carbone. Dal punto di vista della disponibilità del combustibile sulla Terra, l’energia da fusione è praticamente illimitata.

Gli Scarti Della Fusione

Il prodotto della reazione di fusione è l’Elio, un gas leggero ed inerte. Un reattore a fusione quindi, rispetto alle centrali convenzionali, non produce CO2 né produce fumi tossici.

LE CONDIZIONI NECESSARIE

Il Riscaldamento

La temperatura che serve perché avvenga la reazione di fusione sulla Terra è di 100 milioni di gradi. Affinché Deuterio e Trizio si scontrino bisogna fornire molta energia alle particelle. Un metodo efficiente per imprimere questa energia è mediante riscaldamento. Facendo fluire una corrente elettrica  si riesce a scaldare il plasma fino a circa 10  milioni  di gradi centigradi.

Una volta che il plasma si è formato, grazie al riscaldamento prodotto dalla corrente elettrica, si può scaldare ulteriormente con microonde o con l’ iniezione di particelle neutre energetiche, mediante un apposito acceleratore.

Per mantenere il calore del plasma è necessario applicare sempre un flusso di energia. Arrivati alla temperatura in cui le reazioni di fusione avvengono, le reazioni stesse producono la gran parte dell’energia necessaria a mantenere il plasma alla temperatura voluta. A reattore avviato, quindi, si dovrà erogare solo il 10-30% dell’energia che serve per mantenere la temperatura del plasma.

Il Tempo di Confinamento

Occorre anche che il plasma conservi l’energia che gli viene fornita con i metodi sopra descritti. Per capire quanto buono è l’isolamento, nella fisica dei plasmi, si usa il parametro tempo di confinamento dell’energia.

Se il nostro reattore avrà un tempo di confinamento molto elevato servirà poca potenza per riscaldarlo, se il tempo di confinamento è un valore basso ci vorrà molta energia per mantenere la temperatura.

Il Campo Magnetico

Nel reattore la bontà dell’isolamento dipende dal campo magnetico. Il plasma è un gas composto di particelle cariche, il campo magnetico permette quindi di isolarlo dall’ambiente esterno contenendolo. Poiché l’energia contenuta nel plasma è essenzialmente legata all’energia di movimento delle sue componenti, se il campo magnetico è abbastanza forte, permette anche di trattenere l’energia, ossia il calore,  all’interno del plasma. Per fare ciò servono campi magnetici molto intensi, ma c’è un limite all’intensità che si può applicare. Tecnicamente si possono produrre campi fino a circa  12 Tesla , circa 200 mila volte il campo magnetico terrestre. .

Dato un certo campo magnetico  per aumentare il tempo di confinamento si può aumentare il volume del plasma.

Il plasma deve anche essere tenuto in equilibrio in una determinata posizione. Questo avviene grazie a dei campi magnetici ausiliari che permettono di evitare che il plasma entri in contatto con le pareti del reattore. Cosa che comporterebbe un improvviso abbassamento di temperatura del plasma e la sua dissoluzione.

Dimensioni del reattore

Si  stima che nel futuro reattore a fusione  servirà un volume toroidale di plasma con diametro di circa 2 metri di raggio minore. Il reattore sarà in una conformazione magnetica detta tokamak, cioè con una forma simile a quella di una ciambella. Servirà quindi una macchina molto grande corredata di tutti i sistemi per produrre il campo magnetico. Il reattore avrà circa 20 metri di diametro e 10 metri di altezza, anche se alcuni suggeriscono che un sistema di più reattori di taglia inferiore potrebbero avere vantaggi, uno dei quali è rappresentato dalla  possibilità di alternare i periodi di manutenzione ordinaria.

Il reattore avrà una capienza di circa 1000 m3. Per far funzionare il reattore sarà necessario circa mezzo grammo di materia. In un palloncino gonfiato abbiamo circa 10 volte la materia che si troverà nel reattore. Nel reattore c’è una quantità di materia infinitesima.

I limiti operativi di un  plasma in configurazione Tokamak

Lo spazio dei parametri all’interno dei quali un Tokamak  può operare è confinato all’interno di una serie di limiti di cui occorre tener conto nel progettare un reattore  a fusione e che ultimamente rappresentano un limite superiore  all’efficienza del sistema.

Tra i piu’ significativi:

  • Il limite di densità. Per un dato valore della corrente di plasma, la densità di particelle non può eccedere un certo limite , che aumenta all’aumentare della corrente. Superato il limite di densità il plasma tende a sviluppare instabilità che ne provocano lo spegnimento.
  • Limite di corrente. Per un dato valore del campo magnetico toroidale, la corrente di plasma che può essere indotta, ha un limite superiore che non può essere superato e che aumenta con l’aumentare del campo magnetico. Superato tale limite il plasma sviluppa instabilità molto veloci che ne provocano lo spegnimento.  E’ interessante osservare che questo limite non esiste nella configurazione Reversed Field Pinch.
  • Limite di pressione. E’ il valore della massima pressione del plasma  per un dato valore del campo magnetico. Superato il limite, la colonna di plasma tende a deformarsi macroscopicamente e a spegnere repentinamente il plasma.

Oltre questi limiti il plasma cessa di esistere.

COSA CI ASPETTIAMO DAL FUTURO REATTORE SPERIMENTALE A FUSIONE

Avrà un campo magnetico di 5 – 6 Tesla e funzionerà con 0.3 grammi di Deuterio e Trizio. Si calcola che produrrà circa 2 GW di potenza termica e  500 MW di potenza elettrica.

I Tokamak in Europa

Il coordinamento delle ricerche sulla fusione in Europa è esercitato da Eurofusion per conto della Comunità Europea che fornisce il finanziamento economico.

Il programma europeo sulla fusione termonucleare controllata è fortemente orientato alla costruzione e allo sfruttamento dell’esperimeno ITER e al progetto di DEMOil prototipo del reattore a fusione che servirà a dimostrare la fattibilità della fusione come fonte di energia.  Un intenso programma di sperimentazione e preparazione  a ITER rappresenta  lo sforzo che Eurofusion profonde attraverso il coordinamento degli esperimenti attuali, che contemplano diverse macchine: ASDEX Upgrade in GermaniaTCV in SvizzeraJET e  MAST in Inghilterra, WEST in Francia. DTT di Frascati rappresenterà il piu’ avanzato Tokamak in Europa dopo ITER una volta ultimato.

 Eurofusion coordina anche le attività di JT-60SA in Giappone, che è stato costruito congiuntamente da Giappone ed Europa.

Lo sforzo investigativo europeo investe praticamente tutti gli aspetti di fisica ed ingegneria di un reattore a fusione.

Il Consorzio RFX ha contribuito e continua a contribuire intensamente al programma Eurofusion sia in campo ingegneristico che fisico con la partecipazione alle attività  di diverse macchine, proponendo e assumendo la responsabilità del coordinamento di diversi esperimenti, nonché  del coordinamento di alcuni grandi task.

CONFINAMENTO MAGNETICO

 L’ingegnere nucleare e prof emerito del Politecnico di Torino a pochi giorni dal via libera al nucleare nella “Tassonomia verde”: “Non si capisce se Cingolani fa lo scienziato o il paladino di un modello di economia”. E aggiunge: “Abbiamo un’emergenza climatica che ci chiede di dimezzare le emissioni di Co2 entro dieci anni. Non so come il nucleare possa rappresentare uno strumento utile, se richiede decenni per sviluppare le nuove tipologie”. Il problema delle scorie, i costi altissimi e l’illusione della sicurezza

_______________________________

Fusione o fissione?

intervista a Carlo Rubbia di Elisabetta Durante

Carlo Rubbia ha vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 1984 per la scoperta delle particelle W e Z, messaggere dell’interazione nucleare debole; ha insegnato per molti anni alla Harvard University, dal 1989 al 1993 è stato Direttore generale del Cern ed è attualmente Presidente dell’Enea.

Professore, qual è lo stato dell’arte internazionale nel campo della Fusione nucleare?

In questi anni si sono ottenuti molti risultati grazie ad una vigorosa partecipazione internazionale al programma che viene condotto mondialmente da quarant’anni, con una spesa complessiva di oltre 60 miliardi di euro, inclusa quella del nostro paese. Grazie all’obiettivo energetico, si è sviluppato un nuovo capitolo della scienza dei plasmi; a sua volta, questa nuova scienza dei plasmi ha contribuito ad aprire molti campi scientifici e tecnologici. Così si è sostanzialmente migliorata la comprensione dei concetti necessari ad un futuro sistema energetico da Fusione, ma la distanza dall’obiettivo finale rimane notevole.

Pur con gli enormi investimenti già portati a termine, non è possibile ancora garantire che la fusione magnetica Deuterio-Trizio (D-T,ndr) potrà un giorno funzionare in maniera sicura ed essere finanziariamente competitiva. Il problema principale è quello dell’accensione, cioè del bruciamento efficiente e continuativo del plasma D-T, con la sua conversione in Elio più neutrone. Sono quindi necessarie nuove macchine, ben più potenti di quelle esistenti, ad esempio “Iter”, o meno complesse e più specializzate, come “Ignitor” in Italia e “Fire” negli Usa. Vista l’importanza del problema, le accese discussioni su quale sia la scelta migliore non sono sorprendenti: ma la stragrande maggioranza degli addetti ai lavori ha deciso in favore del programma internazionale centrato su Iter. Tuttavia, tutti i progetti potrebbero essere utili a esplorare il comportamento, e diciamolo chiaramente, le inevitabili sorprese di un plasma che si avvicini all’accensione.

Si dice che la Fusione rappresenti una soluzione “pulita”: cosa può dirci in proposito?

Si sente dire spesso che la Fusione D-T è pulita perchè non sarebbe altro che l’energia del Sole riprodotta sulla Terra. Nulla di più errato. La reazione del Sole è senza neutroni. La reazione D-T produce invece un neutrone con più di ¾ dell’energia emessa: questo neutrone è la causa principale delle quantità di scorie radioattive prodotte anche da un reattore a Fusione. Inoltre, il principale elemento combustibile, assente nel ciclo solare, è il Trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno, con una vita media di circa 13 anni. Fughe accidentali di Trizio potrebbero avere conseguenze non diverse da quelle prodotte da incidenti nucleari da Fissione. In sostanza, un reattore a Fusione produrrebbe una quantità di radioattività appena inferiore a quella di un reattore a Fissione ordinario della stessa potenza, migliorabile con l’uso di materiali più avanzati.

Si dice che la fusione sia una fonte di energia inesauribile: sarebbe dunque, una soluzione definitiva?

A lungo termine l’Umanità ha bisogno di sorgenti di energia alternative a quelle dei fossili. In tale quadro, il ricorso al nucleare, oltre che al solare, sembra assolutamente inevitabile. Tuttavia va ricordato che, se usate con i metodi odierni, le riserve naturali di Uranio non sono superiori, ad esempio, a quelle del petrolio o del carbone. Quindi nuovi metodi sono necessari. Nel caso della Fusione D-T, il Trizio non esiste in natura e deve essere prodotto, ‘sparando’ il neutrone generato dalla reazione, contro il Litio: la disponibilità di questo elemento è tale da assicurare molti millenni di produzione energetica.

Il governo francese sembra pronto ad affrontare una spesa ingente pur di strappare al Giappone il megaprogetto per la fusione “Iter”. Non pochi ricercatori francesi hanno criticato questa posizione, osservando come il traguardo della fusione sia ancora lontano e comporti una spesa eccessiva, che penalizzerebbe lo sviluppo di altre soluzioni più a portata di mano…

Anche la Fissione, non quella odierna, ma quella dei nuovi reattori veloci basati sull’uso di Uranio Depleto (impoverito, ndr), e soprattutto col cosiddetto “Amplificatore di Energia”, basato sull’uso del Torio e di un acceleratore di particelle (Ads, ndr), offrono disponibilità energetiche illimitate come quelle da Fusione. Anche queste forme innovative di energia da Fissione, e specialmente quella basata sul Torio, offrono emissioni di scorie radioattive confrontabili per quantità e durata a quelle della Fusione D-T; inoltre grazie a conoscenze già acquisite, sono realizzabili industrialmente in una scala di tempi ben più ridotta, senza le immense problematiche della combustione del plasma e certamente con costi e complessità inferiori a quelli che comporta la Fusione controllata nella più ottimistica delle forme.

Sulla lunga strada del nuovo nucleare, potrebbe esserci spazio per progetti di più limitata portata, che fungano magari come banco di prova di Iter?

Far partire simultaneamente due dispostivi in concorrenza, sul piano internazionale (Iter, ndr) e nazionale (Ignitor, ndr) mi sembrerebbe eccessivo! Perché dunque non investire invece una piccola frazione di quanto destinato alla Fusione per realizzare una Fissione innovativa basata sull’Amplificatore di Energia? Perché mettere tutte le uova nel solo paniere della Fusione magnetica, quando il problema della dipendenza energetica a lungo termine è uno dei più vasti, complessi e inevitabili problemi dell’umanità? A mio parere abbiamo bisogno della massima diversità nelle opzioni su cui contare a lungo termine, al fine di catturare l’immensa energia contenuta nei nuclei in maniera sicura, sostenibile ed illimitata. Sia la Fusione che la Fissione andrebbero perseguite con eguale vigore, alla ricerca di una nuova energia nucleare capace di alimentare l’Umanità per i millenni a venire.

Rispondi

%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: