PERCHÉ LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE VIENE RIMANDATA OGNI VOLTA DI 50 ANNI?

La fusione nucleare, da non confondere con la fissione, è il processo in cui due o più nuclei di atomi leggeri, sotto determinate condizioni, si fondono formando un solo nucleo. Se quest’ultimo ha una massa che è minore della somma dei nuclei reagenti, viene liberata energia secondo la famosa formula eisteniana E=Mc2.

Questo tipo di reazione termonucleare è quella che avviene naturalmente nel Sole e nelle stelle. Infatti, il loro ciclo vita prevede diverse fasi: questi corpi inizialmente gassosi fondono dapprima i nuclei degli atomi di idrogeno in elio, per poi utilizzare nuclei sempre più pesanti che si accumulano nel centro della stella, fino alla sua “morte” che culmina o con un’esplosione (supernova) o si spegne lentamente (nana bianca).

Questo tipo di reazione riesce ad avvenire spontaneamente perché sono soddisfatte due condizioni fondamentali: sono presenti temperature elevatissime, ossia è abbastanza elevata l’energia delle particelle per consentire un’apprezzabile penetrabilità della barriera per effetto tunnel, e il gas è confinato grazie alla gravità stellare che fa sì che i nuclei siano abbastanza vicini tali da vincere la forza di Culomb tra i protoni.

La fusione termonucleare controllata è attualmente realizzata in reattori di tipo sperimentale, i cosiddetti tokamak in cui un gas ionizzato surriscaldato, detto plasma, è confinato all’interno di una camera a forma di ciambella cava attraverso dei magneti superconduttori. La reazione principale è la fusione dei nuclei di deuterio trizio in elio più un neutrone. Tale scelta è dettata dalla disponibilità di deuterio dall’acqua marina, mentre il trizio è ottenibile dalla fissione del litio. Esiste anche un altro tipo di confinamento inerziale che prevede l’uso di laser ma il confinamento magnetico del plasma sembra avere migliori prospettive.

A differenza della fissione, la fusione nucleare non produce scorie radiattive. Tuttavia, dato che dalla fusione vengono prodotti oltre a neutrini e raggi gamma anche neutroni, questi ultimi colpendo le pareti del tokamak possono interagire con i materiali che lo costituiscono generando atomi radioattivi. Per questo motivo si sta cercando di sviluppare un materiale, chiamato eurofer, che abbia una bassa attivazione ed un tempo di decadimento radioattivo relativamente piccolo, che si aggiri intorno ai 100-150 anni in modo tale che sia gestibile lo stoccaggio in impianti appositi per il trattamento di tali materiali.

La fusione nucleare ha anche altri due vantaggi: una produzione nulla di gas ad effetto serra, e nessun problema sulla sicurezza (a differenza della fissione che se non arrestata adeguatamente può provocare una reazione a catena, la reazione di fusione si arresta se il plasma non è confinato).

Il reattore più avanzato in corso di costruzione, chiamato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ha lo scopo di provare a mantenere stabile la fusione per un tempo sufficientemente lungo (poco più di un quarto d’ora) utilizzando una potenza per riscaldare il plasma uguale a quella prodotta dalla reazione, arrivando così nel punto di pareggio. Ha inoltre l’ambizione di provare che si possa riuscire a produrre più energia di quanta ne consumi.

Il reattore DEMO (DEMOnstrating fusion power reactor) avrà invece lo scopo di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica mantenendo la stabilità del plasma per un tempo indeterminato, la cui realizzazione è realisticamente prevista per il 2050.

Nonostante sia relativamente facile costruire un ordigno termonucleare a fusione, molto meno agevole risulta realizzare un reattore nucleare a fusione come fonte di energia che sia stabile, affidabile e regolabile. Per questo motivo già negli anni ’60 si parlava della necessità di 50 anni per sviluppare questa tecnologia ed ancora oggi, nonostante i notevoli passi avanti fatti e gli enormi soldi spesi in ricerca, si parla della necessità di ulteriori 50 anni per ottenere dei reattori “commerciali” per la produzione di energia elettrica.

La difficoltà non è solo quella di mantenere a circa 4 milioni di gradi il plasma ma anche quella di mantenere i magneti superconduttori raffreddati ad una temperatura che sia poco superiore allo zero assoluto. Insomma, occorre far convivere una massa caldissima vicino ad una freddissima!

Ad influire vi sono inoltre problemi di tipo organizzativo per coordinare questi progetti internazionali. Per fare un esempio, dato che la progettazione e costruzione dei componenti dei reattori avviene in diverse nazioni, risulta complesso anche coordinare le forniture, date le grandezze delle parti costruttive e soprattutto al grado di precisione necessario (pensate solo all’assemblaggio di parti realizzate una a distanza di migliaia di km).

Naturalmente poi, trattandosi ancora di una fase sperimentale, i problemi che insorgono durante le diverse prove sono all’ordine del giorno, che inducono scienziati e tecnici a trovare continue soluzioni correttive cambiando le scelte progettuali.

Per il momento molti miliardi di euro sono stati spesi e molti altri sono stati stanziati, nell’attesa che questa tecnologia sia resa disponibile ed utilizzabile nei tempi suddetti, sperando che non sia necessario dover ulteriormente posticipare tale data di ulteriori 50 anni.

Carlo Mazzenga

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PERCHÉ LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FUSIONE NUCLEARE VIENE RIMANDATA OGNI VOLTA DI 50 ANNI?

La fusione nucleare, da non confondere con la fissione, è il processo in cui due o più nuclei di atomi leggeri, sotto determinate condizioni, si fondono formando un solo nucleo. Se quest’ultimo ha una massa che è minore della somma dei nuclei reagenti, viene liberata energia secondo la famosa formula eisteniana E=Mc2.

Questo tipo di reazione termonucleare è quella che avviene naturalmente nel Sole e nelle stelle. Infatti, il loro ciclo vita prevede diverse fasi: questi corpi inizialmente gassosi fondono dapprima i nuclei degli atomi di idrogeno in elio, per poi utilizzare nuclei sempre più pesanti che si accumulano nel centro della stella, fino alla sua “morte” che culmina o con un’esplosione (supernova) o si spegne lentamente (nana bianca).

Questo tipo di reazione riesce ad avvenire spontaneamente perché sono soddisfatte due condizioni fondamentali: sono presenti temperature elevatissime, ossia è abbastanza elevata l’energia delle particelle per consentire un’apprezzabile penetrabilità della barriera per effetto tunnel, e il gas è confinato grazie alla gravità stellare che fa sì che i nuclei siano abbastanza vicini tali da vincere la forza di Culomb tra i protoni.

La fusione termonucleare controllata è attualmente realizzata in reattori di tipo sperimentale, i cosiddetti tokamak in cui un gas ionizzato surriscaldato, detto plasma, è confinato all’interno di una camera a forma di ciambella cava attraverso dei magneti superconduttori. La reazione principale è la fusione dei nuclei di deuterio trizio in elio più un neutrone. Tale scelta è dettata dalla disponibilità di deuterio dall’acqua marina, mentre il trizio è ottenibile dalla fissione del litio. Esiste anche un altro tipo di confinamento inerziale che prevede l’uso di laser ma il confinamento magnetico del plasma sembra avere migliori prospettive.

A differenza della fissione, la fusione nucleare non produce scorie radiattive. Tuttavia, dato che dalla fusione vengono prodotti oltre a neutrini e raggi gamma anche neutroni, questi ultimi colpendo le pareti del tokamak possono interagire con i materiali che lo costituiscono generando atomi radioattivi. Per questo motivo si sta cercando di sviluppare un materiale, chiamato eurofer, che abbia una bassa attivazione ed un tempo di decadimento radioattivo relativamente piccolo, che si aggiri intorno ai 100-150 anni in modo tale che sia gestibile lo stoccaggio in impianti appositi per il trattamento di tali materiali.

La fusione nucleare ha anche altri due vantaggi: una produzione nulla di gas ad effetto serra, e nessun problema sulla sicurezza (a differenza della fissione che se non arrestata adeguatamente può provocare una reazione a catena, la reazione di fusione si arresta se il plasma non è confinato).

Il reattore più avanzato in corso di costruzione, chiamato ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), ha lo scopo di provare a mantenere stabile la fusione per un tempo sufficientemente lungo (poco più di un quarto d’ora) utilizzando una potenza per riscaldare il plasma uguale a quella prodotta dalla reazione, arrivando così nel punto di pareggio. Ha inoltre l’ambizione di provare che si possa riuscire a produrre più energia di quanta ne consumi.

Il reattore DEMO (DEMOnstrating fusion power reactor) avrà invece lo scopo di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica mantenendo la stabilità del plasma per un tempo indeterminato, la cui realizzazione è realisticamente prevista per il 2050.

Nonostante sia relativamente facile costruire un ordigno termonucleare a fusione, molto meno agevole risulta realizzare un reattore nucleare a fusione come fonte di energia che sia stabile, affidabile e regolabile. Per questo motivo già negli anni ’60 si parlava della necessità di 50 anni per sviluppare questa tecnologia ed ancora oggi, nonostante i notevoli passi avanti fatti e gli enormi soldi spesi in ricerca, si parla della necessità di ulteriori 50 anni per ottenere dei reattori “commerciali” per la produzione di energia elettrica.

La difficoltà non è solo quella di mantenere a circa 4 milioni di gradi il plasma ma anche quella di mantenere i magneti superconduttori raffreddati ad una temperatura che sia poco superiore allo zero assoluto. Insomma, occorre far convivere una massa caldissima vicino ad una freddissima!

Ad influire vi sono inoltre problemi di tipo organizzativo per coordinare questi progetti internazionali. Per fare un esempio, dato che la progettazione e costruzione dei componenti dei reattori avviene in diverse nazioni, risulta complesso anche coordinare le forniture, date le grandezze delle parti costruttive e soprattutto al grado di precisione necessario (pensate solo all’assemblaggio di parti realizzate una a distanza di migliaia di km).

Naturalmente poi, trattandosi ancora di una fase sperimentale, i problemi che insorgono durante le diverse prove sono all’ordine del giorno, che inducono scienziati e tecnici a trovare continue soluzioni correttive cambiando le scelte progettuali.

Per il momento molti miliardi di euro sono stati spesi e molti altri sono stati stanziati, nell’attesa che questa tecnologia sia resa disponibile ed utilizzabile nei tempi suddetti, sperando che non sia necessario dover ulteriormente posticipare tale data di ulteriori 50 anni.

Carlo Mazzenga

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