Progettare il futuro della fusione

La generazione di energia dalla fusione nucleare non è un concetto nuovo. Da più di tre quarti di secolo sappiamo che stelle come il Sole comprimono insieme gli atomi di idrogeno per creare elio. Quando questi atomi leggeri vengono fusi insieme, viene rilasciata energia. La fissione nucleare, che è il processo utilizzato dagli attuali reattori nucleari collegati alla rete, genera energia dividendo gli atomi pesanti per rilasciare l’energia immagazzinata.

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Mentre la fissione produce scorie nucleari, la fusione è molto più pulita. Con le nostre crescenti preoccupazioni in materia di approvvigionamento energetico, l’energia da fusione ha il potenziale per fornire abbondante energia pulita per secoli. Tuttavia, dobbiamo ancora realizzare il processo di fusione continua e controllata necessario per ricavarne energia in modo efficiente.

L’energia da fusione non è più un problema di fisica, ma di ingegneria. La fusione nucleare controllata è possibile dal 1951, quando fu effettuato con successo il primo esperimento di fusione al mondo.

utilizzando una macchina Z-pinch. Tuttavia, trasformare un esperimento di laboratorio in un processo industriale è difficile anche nel migliore dei casi. Ciò è particolarmente vero quando essenzialmente estrai energia da un sole artificiale.

Un tipico reattore a fusione comprime insieme deuterio e trizio, riscaldandoli fino a 150.000.000°C nel vuoto per creare plasma, che viene mantenuto in posizione da un potente campo magnetico. Questi campi magnetici non sono diversi da quelli visti nel nucleo di curvatura dell'astronave Enterprise.

Incontra il sole JET

ILToro europeo congiunto (JET) alCentro Culham per l'energia da fusione (CCFE) è puramente sperimentaletokamak reattore. Costruito nel 1977 in collaborazione conEUROfusione, JET rappresenta la prima fase nella realizzazione di una centrale elettrica a fusione.

Molti dei risultati del JET stanno informando la progettazione di ITER (dal latino “la via”), che rappresenta la prossima generazione di reattori sperimentali a fusione, ed è attualmente in costruzione in Francia. Si prevede che ITER sarà tre volte più grande del JET e peserà 23.000 tonnellate, circa il peso di 115 balenottere azzurre. I risultati di ITER porteranno, a loro volta, alla creazione della prima centrale elettrica a fusione dimostrativa, denominata DIMOSTRAZIONE.

Tuttavia, prima che le centrali elettriche a fusione siano completamente realizzate, ci sono diverse questioni chiave che devono essere risolte. "Abbiamo eseguito la fusione su JET: la fisica del plasma è in gran parte risolta", afferma Damian Brennan, capo del dipartimento delle operazioni attive del CCFE. "Ora arrivano i compiti di ingegneria."

I reattori a fusione sono macchine colossali. Il reattore del JET ha le dimensioni di una grande casa ed è contenuto in un edificio delle dimensioni di un hangar per aerei. Questi reattori sono anche incredibilmente complessi: per gestire il JET sono necessari più di 2.500 cabine di controllo. Se un cubicolo dovesse guastarsi, il processo non funzionerà.

Sono necessarie 16 settimane di preparazione per avviare JET, quindi le chiusure sono costose sia in termini di tempo che di denaro. I riavvii richiedono lunghi periodi di test di tenuta per garantire che il livello di vuoto sia pari a 1×10‑8viene mantenuto il mbar, richiesto per la generazione del plasma. Successivamente viene aumentata la potenza dei sistemi a fascio neutro e del plasma fino al raggiungimento delle condizioni operative ottimali.

Al momento, il JET può creare esplosioni di plasma solo per un massimo di 30 secondi ogni 20 minuti e richiede l’1% della capacità della Rete Nazionale per ogni esplosione di plasma. I CCFE devono evitare di far funzionare il JET nei momenti di picco della domanda di elettricità (chiamati “periodi di evitamento degli impulsi”), come le interruzioni pubblicitarie durante i programmi televisivi più popolari, per evitare di gravare eccessivamente sulla Nazionale Griglia.

L'energia da fusione crea un'enorme usura sui componenti del reattore. Oltre al calore e alla pressione colossali necessari per la fusione, il plasma emette neutroni veloci, che si incastonano nelle piastrelle protettive che racchiudono il nocciolo del reattore.. Nel corso del tempo, questi causano l’infragilimento da irradiazione, portando a un degrado accelerato dei materiali strutturali del reattore.

Pertanto i materiali che saranno esposti al processo di fusione dovranno essere in grado di resistere al danno da neutroni, avere una bassa attivazione ed essere sufficientemente robusti da poter durare anni anziché mesi. Lo sviluppo dei materiali è quindi una delle principali sfide ingegneristiche.

Affinché una centrale elettrica a fusione diventi vitale, dovrebbe essere semplice, compatta e affidabile. Inoltre, un tale reattore dovrebbe fornire un “ronzio lungo e basso” di generazione continua di energia. ITER, ad esempio, sarà progettato per pulsare fino a un'ora, con magneti superconduttori che consentiranno un tempo di autonomia prolungato.

Più verde del carbone, ma più sicuro della fissione

Nonostante le sfide, la fusione è una forma di produzione di energia molto allettante. Non produce gas serra, ha una riserva di combustibile potenzialmente abbondante e presenta un rischio di radiazioni notevolmente ridotto rispetto alla fissione nucleare. I rifiuti radioattivi di un reattore a fusione potranno essere riciclati in sicurezza entro un secolo; i rifiuti di fissione costituiscono un peso ambientale da migliaia di anni.

La fusione è anche intrinsecamente più sicura della fissione, poiché non presenta il problema dell’energia immagazzinata. Se il nocciolo del reattore viene rotto, anche prima che la fessura sia visibile, il campo di plasma collasserà a causa della perdita di vuoto. Tutto ciò che rimarrà nel reattore è il trizio, che può essere recuperato in modo sicuro attraverso sistemi di filtraggio del trizio.

Tuttavia, il plasma è uno stato della materia altamente instabile: nel JET, si possono spesso vedere pennacchi dei cosiddetti modi edge-localizzati (simili ai brillamenti solari) che si formano archi dal campo di plasma. Tali instabilità nel plasma causano interruzioni che possono essere così forti da far muovere il reattore.

"Molto tempo fa [gli operatori JET] stavano vedendo cosa potevano fare e si stavano divertendo molto, ma hanno avuto un grosso disagio, quindi hanno chiuso presto e sono tornati a casa", ricorda Brennan della CCFE. “La mattina dopo hanno ricevuto una telefonata da una delle stazioni sismiche dell’Università di Oxford che diceva: ‘Che diavolo avete fatto ieri sera alle 20:45? Abbiamo registrato un evento sul tuo sito!’”

“Il sole in bottiglia”

Pennacchi di plasma scaricano enormi quantità di energia nelle pareti del reattore, corrodendone le piastrelle. I pellet congelati di deuterio-trizio, sparati nel plasma a tempo con qualsiasi "sonaglio", possono smorzare le oscillazioni. Un altro metodo consiste nell'utilizzare bobine di perturbazione magnetica risonante (RPM) attorno al plasma per smorzare i disturbi.

Una delle aree sottoposte a maggiore stress a causa del riscaldamento ciclico è il divertore, che rimuove il calore di scarto dal plasma mentre il reattore è in funzione. Questo può sopportare un carico di potenza fino a 30 MW/m². In prospettiva, le piastrelle di una navetta spaziale ricevono “solo” 10 MW/m² durante il rientro atmosferico. Gli scienziati stanno valutando l'utilizzo di un buffer di gas composto da azoto per assorbire una parte del calore prima che colpisca il divertore, riducendo così i carichi termici.

Attualmente, le piastrelle protettive del primo muro del JET sono realizzate in berillio e tungsteno. In precedenza il nucleo di fusione era protetto da piastrelle di carbonio, che hanno una massa atomica altrettanto bassa, ma queste assorbivano troppo facilmente i combustibili di deuterio e trizio, influenzando negativamente l’efficienza.

Sebbene il deuterio sia relativamente abbondante sulla Terra (può essere estratto dall’acqua di mare), è necessario affrontare la questione della disponibilità limitata di trizio. È in fase di sviluppo una nuova tecnologia in grado di produrre quantità di trizio in chilogrammi da strati di litio avvolti attorno ai reattori a fusione. "In teoria è possibile, e matematicamente abbastanza semplice, ma è comunque necessario progettare le coperte", afferma Brennan.

CCFEAggiornamento Tokamak sferico Mega-Amp (MAST-U) è l’ultimo esperimento di fusione del Regno Unito e la fase successiva nella progettazione della fusione. Più piccolo e più semplice del JET, MAST-U utilizza la forma di una mela senza torsolo. Ciò consentirà potenzialmente un progetto molto più efficiente, poiché necessita di un campo magnetico inferiore per lo stesso livello di prestazioni. Incorporerà inoltre due divertori, che possono potenzialmente distribuire il carico termico. I risultati di MAST-U forniranno ulteriori informazioni alla progettazione di ITER e consentiranno di condurre più esperimenti sul plasma.

Nonostante i numerosi problemi tecnici che l’energia da fusione deve affrontare, si prevede che entro 50 anni avremo una centrale elettrica a fusione funzionante ed economicamente sostenibile. “Dobbiamo farlo”, conclude Brennan. “A causa delle risorse energetiche e del riscaldamento globale, dobbiamo fare qualcosa di diverso. Ora che abbiamo il sole in bottiglia, facciamo l’ingegneria!”

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Foto: Peter Gatehouse