La Fusione Nucleare, facciamo chiarezza
Introduzione
Oggi si fa un gran parlare di energia nucleare, ma forse non è altrettanto chiaro su come stanno effettivamente le cose, vediamo quindi di fare un po’ di luce sull’argomento.
Intanto ci sono due modi di ottenere energia dall’atomo:
· la fissione (quella attualmente in auge, ovvero quella derivante dalla rottura dell’atomo di Uranio)
· la fusione (quella che si spera di ottenere dalla fusione dell’Idrogeno)
In entrambi i casi, non si tratta di energia ottenuta da reazioni chimiche, come il bruciare un pezzo di carbone, bensì si tratta di convertire una parte del materiale utilizzato in energia.
Einstein, con la famosa equazione
E = mc²
ci ha insegnato che se potessimo convertire della materia in energia, questa verrebbe prodotta in quantità enormi; ad esempio, da un grammo di materia (qualunque materia: acqua, zucchero, carbone…) potremmo ottenere 25GWh, che, se fosse energia elettrica, alimenterebbe un’abitazione media (che consuma 2.500 kWh all’anno) per 10.000 (diecimila) anni!
Ma come funziona?
Vediamo.
Un atomo è formato da degli elettroni che girano vorticosamente attorno ad un nucleo, formato da protoni e neutroni:
Nelle reazioni chimiche (come un fuoco), intervengono gli elettroni che permettono ad esempio la classica reazione
C + O2 => CO2 + energia
combinando carbonio ed ossigeno per produrre anidride carbonica e calore, come avviene in un caminetto acceso.
Questo tipo di reazioni producono comunque un quantitativo piuttosto limitato di energia, basti pensare a quanta legna si debba infatti utilizzare per scaldare una casa.
Nelle reazioni nucleari invece (fissione e fusione), intervengono le particelle presenti nel nucleo, dove le forze in gioco sono enormemente più forti, milioni di volte più forti, e quindi proporzionalmente più energetiche.
Ad esempio, un kg di Uranio 235 produce, per fissione, l’energia che otterremmo da circa 2.500.000 kg di Carbone.
Non male.
E la fusione è ancora meglio: un kg di Idrogeno (sotto forma di Deuterio e Trizio) produrrebbe, per fusione, l’energia che otterremmo da circa 11.000.000 kg di Carbone!
Questo perché una piccola parte della massa del nucleo si trasforma in energia, anzi molta energia come abbiamo visto, grazie alla reazione
Un nucleo di Deuterio e uno di Trizio si fondono per ottenere un nucleo di Elio 4, un neutrone libero e 17,6 MeV
Questi 17,6 MeV non saltano fuori così dal nulla come per magia, bensì si ottengono dalla ricombinazione dei protoni e dei neutroni presenti nel nucleo, che diventa così più saldamente legato cedendo una parte della sua massa a riposo che diventa energia, grazie alla ‘forza forte’ ivi presente e dal conseguente riassetto dell'energia di legame.
L’atomo sarà così un po’ più 'leggero', esattamente nella quantità stabilita dalla formula di Einstein (E = mc²) che abbiamo visto all’inizio.
Ad onor del vero, anche nelle reazioni chimiche c’è una perdita di massa a riposo, ma in quantità così minuscole da non essere rilevanti (nulla si crea e nulla si distrugge, ricordatevelo).
La Fusione Nucleare
Bene, abbiamo capito che, per poter scaldare casa efficientemente, dobbiamo sbattacchiare tra di loro un nucleo di Deuterio e uno di Trizio cacciando fuori un nucleo di Elio (più relativo neutrone libero), così, anziché ordinare dieci tonnellate di carbone, l’anno prossimo ordineremo solo un grammo di idrogeno e siamo a posto.
Magari.
Purtroppo (o per fortuna, visto che altrimenti non saremmo qui, poiché se così non fosse le stelle ‘brucerebbero’ in un amen) non è così facile.
Dette reazioni avvengono solo nelle profondità infernali di una stella (come il nostro Sole), dove si ci sono milioni di gradi e pressioni inimmaginabili.
Per poter riprodurre dette condizioni qui sulla Terra, sono state prese due strade:
-
la fusione a confinamento inerziale, dove dei raggi laser vengono focalizzati su una sferetta di combustibile
-
la fusione a confinamento magnetico, come nel caso di ITER
Vediamole.
Fusione a confinamento inerziale
Attualmente, la fusione a confinamento inerziale è un processo in cui l'innesco delle reazioni di fusione nucleare (ignizione), avviene per riscaldamento e compressione tramite potenti fasci laser su una pallina (pellet) di circa tre/quattro millimetri di diametro contenente una miscela di Deuterio e di Trizio.
Schema delle fasi della fusione a confinamento inerziale mediante laser (fonte: Wikipedia)
I raggi laser, colpendo lo strato esterno del pellet (1), lo fanno vaporizzare istantaneamente, creando così un’onda d’urto che comprime la parte interna (2) a pressioni e temperature altissime (3), permettendo quindi la fusione dell’Idrogeno in Elio (4).
I numeri sono impressionanti, anche se variano a seconda dell’esperimento:
-
L’onda d’urto del plasma creato dai fasci laser viaggia verso l’interno a velocità di centinaia di km al secondo
-
Le pressioni al centro del pellet sono talmente elevate che la densità arriva a centinaia di volte quella dell’acqua
-
Analogamente, la temperatura arriva a decine di milioni di gradi al centro dell’implosione
Il 30 luglio 2023, presso il Lawrence Livermore National Laboratory, hanno ottenuto per la seconda volta record in un esperimento sulla fusione nucleare inerziale che ha generato complessivamente un’energia di circa 3,5 megajoule (il calore sprigionato dalla combustione di 20 grammi di metano), grazie a un fascio laser della potenza di 2 megajoule.
I problemi tecnici da superare (e taciuti) per i reattori a confinamento inerziale
Detto così sembrerebbe interessante, ma molto è stato volutamente omesso al grande pubblico; qui sotto trovate alcuni punti, ma non sono i soli:
-
Per prima cosa il fascio laser è sì di 2 megajoule (che d’ora in poi indicheremo con MJ), ma per poterlo creare è stato necessario utilizzare 300 MJ di energia elettrica, visto che la resa per produrre fasci ultravioletti con le giuste caratteristiche è bassissima (il fascio viene prodotto da 192 laser che occupano uno spazio pari a quello di un campo sportivo).
-
Il costo di ogni singolo pellet è attualmente altissimo, anche se si spera che una produzione in massa ne abbassi notevolmente il prezzo.
-
In cauda venenum, il pellet deve essere posizionato esattamente al centro di una camera a vuoto di 10 metri di diametro, portata a 18 gradi Kelvin (-255 gradi Celsius) e dotata di 48 finestre ottiche speciali (chiamate FOA), che trasformano i 192 fasci laser all’infrarosso in arrivo in fasci ultravioletti, lunghezza d’onda richiesta dall’esperimento; il problema è che tale camera, dopo ogni singola ‘esplosione’, deve essere raffreddata nuovamente a 18°K, rifatto il vuoto e i danni riparati (attualmente le finestre hanno una vita operativa di soli 100 cicli) rendendo possibile solo un esperimento al giorno, mentre per essere operativa una centrale richiederebbe potenze e soprattutto ripetitività molto maggiori (molte volte al secondo).
Fusione a confinamento magnetico
La fusione a confinamento magnetico è il metodo che utilizza invece campi magnetici per confinare il plasma (ovvero un gas caldissimo formato da elettroni e nuclei di Deuterio e Trizio) necessario alla fusione nucleare; questo tipo di approccio è iniziato negli anni '40 e ha assorbito la maggior parte dello sviluppo successivo in questo settore.
In sostanza, si tratta di creare potentissimi campi magnetici (quelli di ITER arriveranno a 11,8 Tesla, ovvero circa un milione di volte più intenso del campo magnetico terrestre), derivanti da magneti superconduttori e foggiati in maniera tale da confinare il plasma dentro una sorta di trappola magnetica, per evitare che le altissime temperature in gioco di decine o addirittura centinaia di milioni di gradi vaporizzino istantaneamente qualsiasi contenitore materiale; queste temperature sono addirittura più alte di quelle presenti nel centro del Sole, che sono stimate in circa 15 milioni di gradi Kelvin.
La camera di reazione del DIII-D, un reattore sperimentale a fusione tokamak gestito dalla General Atomics a San Diego (fonte: Wikipedia)
Per poter riuscire in quest’impresa, occorre che tre parametri, combinati tra di loro, abbiano un valore minimo da poter innescare la fusione e mantenerla, per poi così produrre energia:
· La temperatura, che deve essere alta a sufficienza per poter vincere la repulsione elettrostatica tra i nuclei (come già detto, decine o centinaia di milioni di gradi)
· Una densità del plasma tale che possa permettere la facile collisione tra i nuclei
· Il tempo di confinamento, che deve essere abbastanza lungo da poter ottenere la reazione desiderata.
La regola che gestisce questi parametri è specificata dal criterio di Lawson:
Criterio di Lawson di esperimenti di fusione a confinamento magnetico (fonte: Wikipedia)
Diversi sono i laboratori dove questi esperimenti vengono svolti, ad esempio (ma non solo):
-
L’Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) cinese, dove pochi mesi fa è stato ottenuto un plasma allo stato stazionario con una lunghezza dell'impulso record mondiale di 1056 s, in cui la densità e il flusso di calore di picco del divertore erano ben controllati, senza accumulo di impurità nel nucleo (). C’è però da dire che questo esperimento è stato condotto con il solo deuterio e quindi senza l’innesco della fusione nucleare, il che ha reso le cose estremamente più facili.
-
Il Joint European Torus (JET), con sede presso il Culham Center for Fusion Energy (CCFE), Regno Unito, la principale struttura di ricerca del Programma Europeo sulla Fusione; Il 21 dicembre 2021, JET ha prodotto 59 MJ durante un impulso di cinque secondi, battendo il precedente record del 1997 di 21,7 megajoule, con Q = 0,33 (ovvero è stata prodotta un terzo dell’energia usata per l’innesco)
-
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), in fase di costruzione, è un progetto internazionale che si propone di realizzare un reattore a fusione nucleare di tipo sperimentale, progettato per essere equivalente a un reattore di potenza zero (ovvero progettatiper non operare in maniera continua a livellidipotenzasignificativa), di cui si prevede il primo plasma nel 2025; Il complesso di ITER sarà composto da trentanove edifici e aree tecniche disposti su una spianata di oltre 40 ettari a Cadarache, nel Sud della Francia, ad opera di un consorzio internazionale composto da Unione europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'America, India, Corea del Sud.
Plasma incandescente, confinato magneticamente in un tokamak (fonte: Wikipedia)
I problemi tecnici da superare per i reattori a confinamento magnetico
Anche qua non mancano certo le difficoltà tecniche, ad esempio, ma non solo:
-
Il plasma è a poca distanza dalle pareti del reattore, che contengono le spire dei magneti superconduttori, che per contro devono rimanere a temperature criogeniche (molto al di sotto dello zero), altrimenti la perdita della superconduttività è sicura e di conseguenza anche la distruzione dei magneti stessi. Plasma a milioni di gradi a pochi centimetri da qualcosa che deve rimanere assolutamente a temperature polari. Non facile.
-
Anche con dei campi magnetici così potenti, il plasma tende comunque ad uscire dai confini designati; è quindi necessario limitare l’energia persa a una quantità inferiore a quella prodotta dal reattore, pena il raffreddamento del plasma e lo spegnimento del reattore.
-
Un plasma dove avvengono reazioni di fusione sede di instabilità, non per niente i record sono attualmente di pochi secondi.
-
Eliminare le scorie della reazione dal plasma è estremamente difficile e non si sa ancora come fare ciò in un reattore a funzionamento continuo (per ITER è stato progettato un divertore apposito), così come alimentare il plasma è difficoltoso senza raffreddarlo troppo.
-
Elio: indispensabile in grandi quantità per raffreddare i superconduttori dei magneti, che devono essere mantenuti a -268°C; purtroppo questo gas è abbastanza raro qui sulla Terra, e difficilmente potrà bastare per tutte le centrali che dovremmo costruire.
I problemi tecnici comuni ad entrambe le tecnologie
Come se non bastasse, oltre a quanto detto fino ad ora ci sono alcuni problemi comuni ad entrambe le tecnologie:
Trizio
Il Trizio non esiste in natura sulla Terra (nell’atmosfera si trova in tracce, formate dall'interazione dei gas con i raggi cosmici), ma viene prodotto attualmente nei reattori ad acqua pesante, che è un reattore nucleare di vecchio modello di cui ne esistono solamente una trentina in tutto il mondo, ed ogni reattore può produrne circa un centinaio di grammi all’anno; questo è il motivo per cui il suo costo è astronomico: nel 2000 un grammo era prezzato 30.000 $
Inoltre, ha un tempo di dimezzamento di 12,5 anni, il che significa che, se oggi ne abbiamo un kg, tra 12,5 anni ne avremo la metà, poi la metà della metà e così via.
Ancora, il Trizio è utilizzato nelle bombe all’idrogeno e, visto il suo decadimento naturale, deve essere sempre reintegrato nelle varie testate nucleari per poterle mantenere in funzione.
Attualmente la riserva mondiale di trizio è stimata in circa 20 kg; un po’ poco, visto che un solo reattore da 800 MW di potenza come DEMO ne userebbe circa 300 grammi al giorno, ovvero circa 100 kg all’anno!
Sì, esistono progetti per produrre il trizio dai reattori a fusione, ma per ora sono solo sulla carta; staremo a vedere.
Radioattività
Come abbiamo visto all’inizio, non esistono scorie radioattive nella reazione di fusione: viene prodotto solo Elio, che è un gas inodoro, incolore ed innocuo, più un neutrone libero, che viene comunque assorbito dalla struttura.
Ecco, è proprio questo il punto.
Non esistono sottoprodotti radioattivi nella fusione, ma il neutrone libero si legherà inevitabilmente a qualcosa presente nella struttura, e renderà quel qualcosa fortemente radioattivo); per un tempo più limitato se paragonato alle scorie radioattive dei reattori a fissione, ma stiamo comunque parlando sempre di centinaia di anni, non proprio bazzecole.
Conclusioni
Temo che il mondo non sia ancora pronto per l’energia da fusione e non lo sarà ancora per molto tempo, se mai lo sarà; innumerevoli difficoltà dovranno essere superate, cercando di coniugare gli sforzi tra i vari paesi.
Se però dovessi fare una scommessa, punterei come vincitore la fusione nucleare a confinamento magnetico, visto che quella a confinamento inerziale è orientata verso un uso esclusivamente militare (d’altronde è sicuramente più comodo poter far esplodere una bomba all’idrogeno senza dover utilizzare necessariamente una bomba atomica come detonatore), speriamo bene.
Ad maiora.
Ranieri