La Fusione Nucleare, un Sogno Perennemente Lontano che si Avvicina alla Realtà
Mentre lo sviluppo tecnologico immesso sul mercato non fa che creare danni devastanti ovunque metta piede, c’è una scienza parallela che avanza a vele spiegate e cede i passo a coloro che invocano in ginocchio un vaccino che decreti una volta per tutte la parola fine ad una eterna sofferenza terrena.
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La generazione di energia quasi illimitata, pulita e priva di emissioni di anidride carbonica dalla fusione nucleare una visione che sembra perennemente irraggiungibile – ha fatto passi da gigante negli ultimi anni per diventare realtà.
Sulla scia delle recenti scoperte dei laboratori di fisica nella generazione della fusione nucleare, la ricerca si è ora estesa al settore privato, dove una proliferazione di start-up sta correndo per rendere il processo commercialmente fattibile e redditizio.
(In alto) Il tokamak del Princeton Plasma Physics Laboratory, chiamato National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), in questa foto di archivio. (In basso) La macchina tokamak ITER a Saint-Paul-Lez-Durance, in Francia, il 9 settembre 2021.
Se ci riuscissero, il premio sarebbe una fonte abbondante di energia virtualmente priva di carbonio che non consuma vasti ettari di paesaggi naturali e aree costiere, come fanno i pannelli solari e le turbine eoliche. Inoltre, a differenza degli attuali reattori a fissione nucleare, l’energia di fusione produce relativamente poche scorie radioattive.
Il trizio e il deuterio, isotopi dell’idrogeno, sono gli elementi utilizzati nella fusione, anziché elementi pesanti come l’uranio e il plutonio, utilizzati nella fissione. I prodotti finali di una reazione di fusione sono elio e neutroni.
Oltre a produrre meno scorie, la fusione nucleare non comporta il rischio di reazioni a catena indotte come quella avvenuta a Chernobyl, dicono gli scienziati.
Se una centrale a fissione si spegne durante un’emergenza, “può ancora produrre molta energia per un po’ grazie all’attività residua nel reattore, ed è per questo che si scioglie”, ha dichiarato Jean Barrette, professore emerito di fisica alla McGill University.
“Mentre con la fusione nucleare, si spegne l’interruttore ed è finita; non ci sono residui di radiazioni”.
Sebbene i potenziali benefici della fusione siano molteplici, sfruttarla per l’energia elettrica rimane un compito arduo.
“Il processo fondamentale è ben noto e, naturalmente, è quello che alimenta le stelle”, ha dichiarato Robert Fedosejevs, professore di ingegneria elettrica all’Università di Alberta e specialista in tecnologia laser. Ma “la fusione è l’approccio tecnologicamente più impegnativo alla produzione di energia che l’umanità abbia mai tentato”.
All’interno delle stelle, l’immensa gravità crea un calore e una pressione intensi che portano diversi nuclei di idrogeno a fondersi in un unico nucleo di elio. In questo processo si verifica una leggera perdita di massa, che viene convertita in enormi quantità di energia secondo la famosa equazione di Albert Einstein: e = mc².
Senza la gravità del sole, tuttavia, la sfida sulla Terra non è solo quella di creare una fusione continua, ma anche di farlo in modo da non richiedere più energia di quella prodotta.
Nel dicembre 2022, la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory in California ha superato questa soglia. Grazie al lavoro di circa 1.000 scienziati statunitensi e internazionali, il NIF ha creato una reazione di fusione che, per la prima volta, ha prodotto più energia di quella consumata.
Il personale posa per una foto nel cuore della National Ignition Facility del Lawrence Livermore National Laboratory a Livermore, in California, in questa foto di archivio.
L’operazione è stata eseguita sparando 192 raggi laser simultanei in una minuscola capsula di deuterio e trizio (DT) delle dimensioni di un granello di pepe, per comprimerla e riscaldarla a temperature comprese tra 50 e 100 milioni di gradi Kelvin fino a fonderla, producendo uno ione elio, un neutrone ed energia.
“In pratica hanno prodotto molti mega joule di energia di fusione, con solo due mega joule di energia laser in entrata”, ha detto Fedosejevs. Questo è il punto di riferimento scientifico per il quale si è lavorato negli ultimi 50-60 anni, per dimostrare almeno che in laboratorio si può generare più energia in uscita che in entrata”.
“Non c’è dubbio che la fusione funzioni. Si tratta di capire come possiamo tecnicamente realizzarla in modo sostenibile come fonte di energia”.
Passare dai laboratori ai reattori funzionali
Passare da una reazione unica di un nanosecondo in laboratorio alla produzione affidabile ed economica di elettricità è il punto su cui si stanno concentrando scienziati, ingegneri e investitori di tutto il mondo.
“Siamo molto, molto lontani dagli impianti funzionanti”, ha detto Barrette. “È necessario avere successo in molte, molte direzioni.
“Non è una sola cosa che manca. Mancano molte cose che devono funzionare tutte per creare un reattore efficiente”.
Il primo è come creare reazioni sostenute attraverso la fusione, per generare elettricità di base. Lo sviluppo in questo settore sta seguendo due strade: la fusione a confinamento inerziale laser, il processo utilizzato dal NIF, e la fusione a confinamento magnetico, che utilizza un campo magnetico per simulare l’intensa gravità all’interno delle stelle.
La fusione laser, che Fedosejevs descrive come una “micro-implosione in un recipiente sotto vuoto guidata da un impulso laser ultrabreve”, ha assunto un ruolo di primo piano in termini di produzione di guadagni netti di energia dalla reazione. I bersagli di combustibile DT sono disposti meticolosamente e i laser sono tutti puntati con precisione in uno spazio pari alla larghezza di un capello umano.
Vengono quindi sparati una volta prima di dover essere ricaricati e reimpostati. Il processo consente circa una reazione al giorno.
Per diventare redditizi per la generazione di elettricità, i laser dovrebbero sparare almeno 100 volte al secondo, ha detto Barrette, e sebbene la soluzione di questo e altri problemi non sia impossibile, “ora sono ancora molto in fase di ricerca”.
Gli innovatori in questo settore stanno lavorando per sviluppare laser più potenti, in grado di funzionare a una velocità molto più elevata per produrre energia in modo continuo.
Un articolo di agosto report su Physics Today scritto dagli scienziati nucleari Stefano Atzeni e Debra Callahan, tuttavia, osserva che la fusione basata sul laser del NIF è stata condotta con una tecnologia laser vecchia di 30 anni e che i progressi nella tecnologia dei laser e dei bersagli sono ora avanzati al punto che la fusione laser continua a essere considerata potenzialmente praticabile a livello commerciale.
(In alto) Tecnici lavorano su un bersaglio (R) presso la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory. (In basso a L) Un rendering illustrativo mostra una pallina bersaglio del NIF all’interno di una capsula Hohlraum con raggi laser che entrano dalle aperture su entrambe le estremità. I fasci comprimono e riscaldano il bersaglio fino a raggiungere le condizioni necessarie per la fusione nucleare. (In basso a destra) Una vista del bersaglio raffreddato criogenicamente, visto dal laser attraverso il punto di ingresso della capsula Hohlraum. Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
A differenza della fusione laser, la fusione magnetica si basa su un potente campo magnetico per creare le condizioni necessarie affinché la fusione abbia luogo.
Con la fusione magnetica, una macchina chiamata tokamak, un progetto nato in Unione Sovietica negli anni ’50, utilizza campi magnetici per confinare, comprimere e riscaldare il plasma DT all’interno di un reattore a forma di ciambella chiamato toro. Una volta avvenuta la fusione, il prodotto è uno ione di elio e un neutrone. Questi neutroni sono in grado di passare attraverso il campo magnetico e, nel farlo, vengono catturati da una “coperta” all’esterno della parete; questa è la fonte primaria del calore che, in ultima analisi, genererebbe elettricità.
Nei decenni successivi alla sua invenzione, gli scienziati hanno lavorato per sviluppare magneti sempre più forti per generare più energia per una durata maggiore.
Nel 1982, il Princeton Plasma Physics Laboratory ha creato il Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), che ha stabilito una serie di record mondiali, tra cui il riscaldamento del plasma a 510 milioni di gradi centigradi, ben oltre i 100 milioni di gradi richiesti per la fusione commerciale. Queste temperature superano quelle al centro del sole, che la NASA stima in circa 15 milioni di gradi centigradi.
Nel 1994, il TFTR ha generato la cifra record di 10,7 milioni di watt di energia da fusione controllata, che alimenterebbe più di 3.000 abitazioni.
Anche l’Inghilterra gestisce un tokamak, chiamato Joint European Torus (JET), che è riuscito a generare quantità record di energia da fusione. Inoltre, scienziati di 35 Paesi hanno collaborato al tokamak ITER in Francia, che sarà il più grande magnete superconduttore mai costruito e dovrebbe entrare in funzione nel 2034.
“Produrrà un campo di 13 tesla, equivalente a 280.000 volte il campo magnetico terrestre”, si legge in un rapporto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). Mentre la fusione laser è attualmente in testa in termini di produzione di energia dimostrata, la fusione magnetica potrebbe essere più promettente per generare la produzione continua di energia necessaria per il carico di base di elettricità.“It will produce a field of 13 tesla, equivalent to 280,000 times the Earth’s magnetic field,” a U.S. Department of Energy (DOE) report states. While laser fusion currently leads in terms of demonstrated energy output, magnetic fusion may hold more promise for generating the continuous energy output necessary for base-load electricity.
“I tokamak possono sostenere correnti di plasma del livello di mega-ampere, che è equivalente alla corrente elettrica dei fulmini più potenti”, afferma il DOE. “Gli scienziati dell’energia di fusione ritengono che i tokamak siano il principale concetto di confinamento del plasma per le future centrali a fusione”.
Per non rimanere indietro, la Cina ha costruito il Tokamak sperimentale superconduttore avanzato a Hefei, che ha funzionato con successo.
Le sfide del “muro
Oltre alla ricerca di sviluppare reazioni di fusione commercialmente valide, un ostacolo altrettanto alto è quello di capire come costruire una struttura fisica funzionale e durevole per contenere e ricavare energia dalle reazioni.
Abbiamo avuto l’idea di “mettere il sole in una bottiglia” e abbiamo scoperto che la parte difficile non era creare il sole”, ha dichiarato Eric Emdee, fisico ricercatore presso il Princeton Plasma Physics Laboratory.
“Abbiamo creato plasmi ad altissima temperatura, temperature ottimali per la fusione.
“La parte difficile è creare la bottiglia”.
All’interno di un reattore tokamak, il plasma DT, contenuto in un campo magnetico, è circondato da una parete fisica, chiamata componente di rivestimento del plasma (PFC), che deve resistere al calore di 100 milioni di gradi della reazione.
Come nel caso dei brillamenti solari, un po’ di plasma sfugge al campo magnetico durante le reazioni, rischiando di danneggiare la parete del contenitore. Inoltre, i materiali della parete possono interagire con il plasma, diluendolo e riducendo la capacità di fusione del DT.
“Siamo al punto in cui stiamo passando dagli esperimenti alla progettazione di prototipi di reattori, ma dobbiamo ancora determinare come avere interazioni accettabili tra plasma e materiale“, ha detto Emdee. “Come possiamo progettare le pareti del contenitore in modo economico? Quali sono i materiali che potremmo usare e che sono i migliori per il plasma?”.
La ricerca di Emdee si concentra sui materiali per il PFC che potrebbero risolvere questi problemi e deviare il calore per evitare danni al reattore. Sta studiando l’uso di metalli liquidi per dissipare il calore, come il litio liquido, che scorrerebbe lungo la parete del tokamak.
Oltre ai problemi di reazione e di contenimento, anche la produzione del combustibile per la fusione presenta delle sfide, amplificate dalla necessità di generarlo in grandi quantità.
Per la fusione laser, scrivono Atzeni e Callahan, i bersagli di combustibile sono attualmente creati a mano in un processo che richiede molto lavoro. Affinché questa tecnologia diventi commercialmente valida, tuttavia, milioni di bersagli di combustibile dovrebbero essere utilizzati in un reattore ogni giorno di funzionamento, e la capacità di produrre in massa combustibile DT non è ancora stata dimostrata.
Il deuterio è abbondante e si trova nell’acqua di mare, ma il trizio deve essere “allevato” da elementi come il litio. Con la fusione magnetica, il trizio può essere prodotto all’interno del tokamak stesso.
“Per farlo, è necessario un ciclo del combustibile in cui i neutroni dell’energia di fusione vengono catturati nel litio per produrre il trizio, per poi estrarre il trizio e utilizzarlo come combustibile”, ha detto Fedosejevs.
“Quindi ci sono una serie di dettagli che rappresentano ancora una sfida importante, ma che, per quanto riguarda la scienza, sembrano fattibili, anche se nessuno l’ha ancora fatto su una scala di dimensioni tali da richiedere un reattore”.
(In alto) Un membro dello staff controlla il reattore di prova a fusione Tokamak, in questa foto d’archivio. (In basso a sinistra) Il progetto del bersaglio Saturn mira a esplorare la possibilità di dimostrare l’accensione nella National Ignition Facility utilizzando la configurazione Polar-Direct-Drive, in questa foto di archivio. La capsula è montata su un anello appositamente progettato per mezzo di fili di seta di ragno. (In basso a destra) Un’illustrazione mostra una simulazione che utilizza il codice GTS di Weixing Wang per mostrare la turbolenza del nucleo in un Tokamak all’Argonne National Laboratory. I ricercatori intendono avvicinare i codici informatici per la fusione e gli algoritmi associati alla definizione delle proprietà di confinamento del plasma necessarie per accendere il reattore sperimentale a fusione ITER. Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
Capitale d’investimento in aumento
Un ulteriore elemento necessario per lo sviluppo dell’elettricità da fusione è il denaro. Ma anche in questo caso c’è motivo di ottimismo.
Negli ultimi anni una proliferazione di start-up ha cercato di sviluppare la fusione commerciale. Spesso si tratta di propaggini di università impegnate nella ricerca sulla fusione, come il MIT e Princeton, e spesso collaborano con il mondo accademico per la ricerca e lo sviluppo.
Molte di esse hanno ricevuto sovvenzioni governative. Nel maggio 2023, il DOE ha annunciato l’erogazione di 46 milioni di dollari in sovvenzioni per lo sviluppo della fusione commerciale, assegnate a otto aziende in sette Stati. I beneficiari sono Commonwealth Fusion Systems, Focused Energy Inc., Princeton Stellarators Inc., Realta Fusion Inc., Tokamak Energy Inc., Type One Energy Group, Xcimer Energy Inc. e Zap Energy Inc.
“Entro cinque-dieci anni, gli otto premiati risolveranno le sfide scientifiche e tecnologiche per creare progetti per un impianto pilota di fusione che contribuirà a portare la fusione alla fattibilità tecnica e commerciale”, ha dichiarato il DOE.
A giugno, il DOE ha annunciato la “Strategia per l’energia da fusione 2024“, che prevede lo stanziamento di altri 180 milioni di dollari per lo sviluppo dell’elettricità da fusione.
“Lo sviluppo dell’energia di fusione come fonte di energia pulita, sicura e abbondante è diventata una gara globale e gli Stati Uniti rimarranno in testa”, ha dichiarato il vice segretario del DOE David Turk in un comunicato.
Allo stesso tempo, il capitale privato investito nella fusione nucleare è raddoppiato negli ultimi due anni, raggiungendo un totale di quasi 6 miliardi di dollari nel 2023, secondo EnergyWorld.
L’anno scorso, Helion Energy, una startup con sede nello stato di Washington, ha firmato un accordo con Microsoft per la fornitura di 50 megawatt di elettricità da fusione entro il 2028.
“Non c’è dubbio che abbiamo ancora molto lavoro da fare, ma siamo fiduciosi nella nostra capacità di realizzare il primo impianto al mondo per la produzione di energia da fusione”, ha dichiarato in un comunicato il cofondatore e CEO di Helion, David Kirtley.
Mentre gli investitori esprimono l’ambizione che la fusione commerciale possa diventare una realtà entro un decennio, molti addetti ai lavori vedono un percorso più lungo.
“Se riusciranno a mantenere questo ritmo [di investimenti], penso che saremo sulla buona strada per vedere delle dimostrazioni entro la metà del 2030 e, auspicabilmente, dei reattori ingegnerizzati entro l’inizio del 2040″, ha detto Fedosejevs.
Emdee è più cauto.
“Direi che le stime ottimistiche sulla possibilità che la fusione fornisca energia alla rete sono forse quelle del 2040″, ha detto. “Ma le stime più conservative, che personalmente ritengo più realistiche, sono quelle del 2060 o 2070″.
Kevin Stocklin
Fonte: theepochtimes.com
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