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La fusione nucleare: l'energia del futuro


 
   
 

di Maurizio Melis

Ascolta l'intervista a Bruno Coppi (trasmissione radio del 20 Ottobre 2007): padre del progetto Ignitor per sperimentare la fusione nucleare.

E' pulita e virtualmente illimitata, alimenta le stelle e il nostro Sole, perchè non anche automobili e frigoriferi? E' la fusione nucleare, la più potente tra le fonti di energia conosciute. Si situa in un territorio che è ancora oggi più quello dei fisici che dei tecnologi. Segno che, nonostante decenni di ricerche, ancora non disponiamo di tecnologie adeguata a sfruttarla industrialmente.

Tuttavia, fatta eccezione per ipotesi che allo stato attuale si confondono con la fantascienza, la fusione nucleare rappresenterebbe concretamente una soluzione definitiva alla questione energetica. Non produce scorie - al limite qualche componente del reattore limitatamente radioattivo - e usa come combustibilie l'elemento più abbondante dell'Universo: l'idrogeno. Ma non per bruciarlo in una cella a combustibile, bensi nella furia rovente di un plasma a oltre cento milioni di gradi, il minimo necessario - a meno di non compensare con pressioni mostruose - per appiccare il fuoco nucleare.

Come al centro di una stella

Per innescare una reazione di fusione nucleare bisogna ricreare condizioni simili a quelle che si trovano nel nucleo delle stelle. Nel Sole, ciò equivale a circa 15 milioni di gradi e qualche centinaio di miliardi di atmosfere. Non c'è modo di contenere una simile pressione perciò nei tentativi in corso si preferiscono una bassa pressione (poche decina di atmosfere) e un sovrappiù di temperatura: oltre cento milioni di gradi.

La difficoltà, evidentemente, è mantere confinato questo plasma, evidando che si disperda, in quanto ciò ne provocherebbe lo "spegnimento". Ciò implica che i reattori nucleari a fusione siano difficili da mantenere accesi, e non da spegnere. E per questa ragione sono intrinsecamente sicuri. Un cedimento del contenimento, infatti, spegnerebbe la reazione.

Dentro il reattore

Nei tokamak (dal russo "Camera toroidale a bobine magnetiche”) il confinamento del plasma (riquadro a destra) è ottenuto tramite un potente campo magnetico che lo costringe a scorrere all'interno di una "camera toroidale".


Un tokamak: spento (a sinistra) e acceso, percorso dal plasma (a destra).

Una campera toroidale è una cavità a forma di ciambella, circondata da bobine che generano un campo magnetico della stessa forma.
Il plasma è formato da cariche elettriche (nuclei a tomici ed elettroni) e, come tali, sono indotte a seguirne le linee di forza spiraleggiandovi attorno. E' essenzialmente su questo meccanismo che si basa il confinamento del plasma: una opportuna combinazione di campi elettrici e magnetici.

Qui sotto, in figura, sono mostrati i flussi di corrente generati dalla vorticosa rotazione degli elettroni e dei nuclei carichi positivamente. (Bisongna però aggiungere che esistono altri sistemi di confinamento, detti inerziali, completamente diversi. E' un filone di ricerca alternativo, che punta ugualmente a realizzare la fusione, ma attualmente meno sviluppato.)

 

Il punto sulla ricerca e lo sviluppo

Attualmente esistono diversi reattori sperimentali: il JET a Frascati, e numerosi altri in USA, europa e asia. Nessuno di questi ha mai raggiunto le condizioni di ignzione, cioè un'accensione stabile, autoalimentata. La reazione è sempre stata fin qui sostenuta da una continua e sostanziosa iniezione di energia dall'esterno. Anzi, finora, i reattori sperimentali hanno lavorato sistematicamente in perdita.

E' possibile ottenere un bilancio energetivo favorevole, e quindi una produzione di energia netta, sia ragguingendo l'ignizione che fermandosi prima. Si tratta di due diversi approcci filosofici al problema. Due filoni alternativi che, in prospettiva, dovrebbero articolarsi in due esperimenti: ITER e Ignitor. Inutile precisare che i due progetti, pur se non dovrebbero, sono in quache modo in conocrrenza.

ITER è un progetto internazionale su grandissima scala: 10 miliardi di euro; trent'anni di esperimenti, dieci dei quali passati a costruire il reattore: una macchina alta venti metri nella quale, oltre a sperimentare le razioni di fusione per alcuni minuti consecutivi, verrebbero testati anche diversi impianti destinati alla produzione di energia elettrica. Verrà costruita a Cadarache, nel Sud della Francia da un consorzio internazionale in cui compaiono Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti d'America, India e Corea del Sud.

Ignitor è un progetto ENEA dai costi e tempi di realizzazione assai più contenuti: 350 milioni di euro e un orizzonte temporale di ricerca di 5 o 6 anni. Ignitor è nato prima di ITER, e anzi è stato la base dello sviluppo del mega-esperimento ITER.

Ignitor avrebbe il pregio di poter sperimentare le condizioni di ingizione (per pochi secondi) molto prima e a costi più bassi, fornendo così informazioni utili anche per gli esperimenti successivi come ITER, che hanno obiettivi più ambiziosi. Attualmente è in un momento di difficoltà per carenza di finanziamenti, in parte già stanziati e mai consegnati, mentre gli USA si sono già dichiarati disponibili a cooperare. L'italia, per le peculiarità della sua rete elettrica, sarebbe favorita come location per l'installazione.

Ascolta l'Intervista a Bruno Coppi, fisico italiano in forza al MIT e padre del progetto Ignitor.

link

Istituto di fisica del plasma "Piero Caldirola"
Fisica sperimentale dell'interazione di plasmi con onde ciclotroniche elettroniche e tecnologie relative

Reattori a fusione su fisicamente.net

 

 

 

 

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Plasma: il quarto stato della materia

Solido, liquido e gassoso: sono i tre stati della materia. Quelli che ci insegnano a scuola. Ma ce n'è un quarto: il plasma, in cui si trova la materia all'interno delle stelle e nello spazio profondo.

Nelle condizioni fisiche che troviamo sulla superficie terrestre, gli atomi sono dotati di un nucleo attorno al quale ruotano gli elettroni, imprigionati dall'attrazione elettrica reciproca.

I protoni nel nucleo sono carichi positivamente e assieme ai neutroni - elettricamente neutri appunto - assommano la gran parte della massa dell'atomo.
Gli elettroni, leggerissimi, sono numerosi quanto i protoni e sono carichi negativamente, in modo che l'atomo nel suo complesso risulti neutro.

Ma a temperature molto elevate l'agitazione è tale che i nuclei perdono gli elettroni. Ne risulta un plasma, una zuppa di elettroni e nuclei atomici liberi: cariche positive e negative indipendenti che, a differenza degli atomi neutri, reagiscono sia ai campi elettrici che magnetici.

Confinare il plasma

Il plasma si comporta in modo profondamente diverso rispetto alla materia ordinaria. Per esempio, in presenza di un campo magnetico, le cariche che lo compongono (sia elettroni che nuclei) sperimentano la forza di Lorenz, che le costringe a muoversi secondo traiettorie a spirale intorno alle sue linee di forza.

E' sfruttando questo prinicipio che, nelle macchine a fusione nucleare, si ottiene il "confinamento magnetico".

 

Fusione e fissione: quando a reagire è il nucleo atomico

Le forze che tengono legati i neutroni e i protoni nel nucleo atomico sono immensamente più grandi di quelle che tengono gli elettroni legati al nucleo. Per questo motivo, le razioni nucleari sono enormemente più energetiche di quelle chimiche, che coinvolgono solo gli elettroni. Ce ne sono di due tipi: fissione e fusione.

La fissione (su cui si basano le odierne centrali nucleari) è un processo in cui si spaccano nuclei atomici (tipicamente di elementi pesanti come l'uranio) che dividendosi in nuclei più leggeri rilasciano energia sotto forma di onde elettromagnetiche.

Nel processo vengono rilasciati anche dei neutroni, che innescano a cascata altre fissioni, e così via. Così la reazione si autoalimenta.

La fusione domina invece i nuclei delle stelle. Accade quando due nuclei, generalmente nuclei leggeri come idrogeno ed elio, cozzano l'uno contro l'altro e si fondono in un nucleo più pesante.
Per arrivare a collidere però, devono prima superare la repulsione elettrica. Entrambi i nuclei sono carichi positivamente infatti, e a distanza si respingono.

Per superare la repulsione, i nuclei devono essere lanciati a gran velocità. Perchè la acquistino è necessario che il gas di nuclei ed elettroni che forma il plasma in cui sono contenuti, sia portato a temperature altissime. Mai inferiori ai 10 milioni di gradi.

In un plasma mantenuto ad alta temperatura e sufficientemente compresso e denso, l'energia liberata dalla fusione lo accende come una fiamma che si autoalimenta. Ciò accade spontaneamente nel nucleo delle stelle, dove il plasma bollente è trattenuto dalla forza gravitazionale generata dalla grande massa della stella.

Condizioni simili sono riprodotte nei reattori nucleari chiamati tokamak. In cui il plasma è confinato da potenti campi magnetici.

 

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