Fusione Nucleare: Istruzioni per l’uso

Esiste molta confusione in rete sulla Fusione Nucleare, soprattutto riguardo alle sue apparenti pericolosità ed impossibilità di giungere all’obiettivo. Siete stanchi di leggere i soliti luoghi comuni?! Ecco alcune istruzioni per l’uso per affrontare discussioni interminabili.

Conferma sperimentale della qualità del campo magnetico prodotto nello Stellarator tedesco Wendelstein 7-X tramite delle linee di plasma, creando un immagine veramente bellissima. Fonte

Reazioni di Fissione Nucleare.

Le reazioni di fusione nucleare sono totalmente un’altra storia rispetto a quelle di fissione nucleare. Si muovono verso direzioni diverse. Le prime che abbiamo cominciato ad usare per applicazioni pratiche sono quelle di Fissione Nucleare. Sfruttano l’instabilità di atomi pesanti, come quelli dell’uranio arricchito [235U] per erogare energia dalla Forza d’Interazione Nucleare Forte, dividendo l’atomo pesante in due atomi più leggeri ed altre particelle. Sono quindi reazioni che avvengono SPONTANEAMENTE all’interno di questi materiali.

[EDIT]: Affinché quanto detto non sia fuorviante, bisogna specificare che è riferito solo alle condizioni di instabilità degli atomi di 235U. Affinché le reazioni di fissione abbiano luogo c’è comunque bisogno di un innesco (generalmente una sorgente di neutroni). In assenza di innesco, è necessario che la massa di materiale fissile sia superiore alla massa critica (che dipende dalla densità e composizione del materiale). Per Massa Critica si intende la massa minima di materiale fissile necessaria per sostenere una reazione a catena. Oltre la massa critica, la quantità di neutroni liberati naturalmente all’interno dal decadimento radioattivo degli atomi presenti è abbastanza elevata da innescare la reazione a catena che porta all’esplosione nucleare. Maggiori dettagli potete trovarli qui.

Reazioni di Fusione Nucleare.

Le reazioni di Fusione Nucleare avvengono fra atomi leggeri, come quelli dell’Idrogeno e dei suoi isotopi Deuterio e Trizio. I nuclei atomici i si sommano in un atomo di Elio a meno di un neutrone che viene liberato, mediando la maggior parte dell’energia liberata proveniente dalla Forza di Interazione Nucleare Forte. Bisogna FORNIRE ENERGIA agli atomi reagenti affinché vincano le forze di repulsione elettrostatiche che tendono a separarli. E’ dunque un processo che avviene NON SPONTANEAMENTE, ma solo nelle condizioni adatte.
Le reazioni, sia di fusione che di fissione possono avvenire fra atomi di diversa natura e con modalità diverse rispetto a quelle sopra citate, similmente alla gran varietà di reazioni chimiche presenti.

Differenze fra i Reattori a Fissione e Fusione Nucleare.

I reattori a fissione nucleare sono progettati per limitare la propagazione delle reazioni di fissione, per evitare che le reazioni procedano in una velocissima reazione a catena che liberi quasi istantaneamente tutta l’energia della massa di combustibile nucleare. I reattori per la fusione nucleare che attualmente stiamo sperimentando servono invece a ricreare le condizioni adatte affinché tali reazioni avvengano spontaneamente. Per questo motivo bisogna usare dei termini di paragone diversi. Inoltre sulla fissione c’è anche molta disinformazione che cavalca l’onda del sensazionalismo di Chernobyl e Fukushima, ma non voglio entrare nel merito della questione. L’importante è capire che qualsiasi centrale a fusione non potrà mai portare ai rischi che si immaginano per una centrale a fissione. Ciò è dovuto essenzialmente al fatto che la fusione non avviene spontaneamente. Il reattore serve per ricreare le condizioni adatte. Se si rompe, semplicemente la fusione “si interrompe”. Riprenderemo ciò più avanti.

Diversi tipi di Confinamento.

Il reattore più semplice ed efficace che sappiamo funzionare è quello delle stelle, chiamato infatti confinamento gravitazionale. In esso la gravità crea le condizioni adatte affinché avvengano tali reazioni. Se fossimo in grado di controllare la gravità, avremmo già il potere delle stelle nelle nostre mani (cit).

Citazione tratta dal Dr. Octopus del film Spiderman 2 (2004). Il suo esperimento ricorda proprio un reattore a confinamento gravitazionale. Fonte: Youtube/MiaInfanzia

Purtroppo non abbiamo ancora tale conoscenza, quindi bisogna adottare altri sistemi di confinamento. I più conosciuti che si sperimentano sono:

– Il c. Magnetico: Come Tokamak e Stellarator.
– Il c. Inerziale: Come le sfere di deuterio compresse da potenti laser.
– Il c. Elettrostatico: Come il Fusore di Farnsworth-Hirsch.

Alcuni reattori studiano approcci ibridi fra questi sistemi di confinamento, come Proto Sphera, DPF Device, il Polywell ed altre macchine.
Di come la gravità produca le condizioni necessarie alla Fusione Nucleare nelle Stelle, ne parliamo negli articoli: Il Sole si sta Espandendo, Che Temperatura c’è Nel Nucleo del Sole?

Perché non si hanno risultati sulla Fusione Nucleare da oltre 50 anni?

E’ uno dei classici luoghi comuni che orbitano attorno alla ricerca sulla Fusione Nucleare. Se per “risultati” cerchiamo reattori commerciali, certamente al momento non ne abbiamo. La realtà è che in questi decenni si son fatti passi da gigante nello studiare ogni aspetto del comportamento del plasma in questi reattori, risolvere le instabilità per ottenere un confinamento stabile.

Simulazione 3D dell’evoluzione della colonna centrale di Proto Sphera in un Toroide Sferico tramite la destabilizzazione della c.centrale e la riconnessione magnetica in un T. Sferico. Fonte: ENEA

Il progresso nella ricerca ha dato il via allo studio di altri approcci paralleli ai classici che possono semplificare i problemi dovuti all’instabilità del plasma, in alcuni casi sfruttandola a proprio vantaggio. La causa è da cercare nella natura del plasma di essere un gas ionizzato, che lo porta ad essere instabile quando viene compresso. Oltre a ciò si aggiunge un problema di fondo: non abbiamo modelli analitici per studiare il plasma, se non in situazioni semplificate, che non sono quelle adatte per studiare le instabilità che vi si creano. Quindi bisogna ricorrere a dei modelli numerici che devono essere risolti in dei calcolatori.

Simulazione della densità del plasma intrappolato dal campo magnetico prodotto dalle bobine asimmetriche (grigie) dello Stellarator Wendelstein 7-X. Una delle macchine per lo studio del plasma più complesse mai realizzate. Eseguita attraverso il codice GENE-3D. Fonte: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, IPP

Non è infatti un caso che i progressi ottenuti vadano di pari passo con l’evoluzione della potenza di calcolo dei computer. Sono necessari anche per la progettazione di reattori più complessi. Vedremo ciò nel dettaglio in un articolo a parte (troverete qui il link di rimando non appena sarà pubblicato).

Se non si riesce a confinare questa enorme energia, esplode mezzo mondo?

No. I reattori a fusione nucleare non sono delle bombe termonucleari, ed anche se ricreano al loro interno reazioni simili a quelle che avvengono nelle stelle, non lo sono realmente. A causa della non spontaneità delle reazioni di fusione, la bomba termonucleare (bomba H) era innescata da un ordigno atomico tradizionale. Quindi l’enorme energia rilasciata da quest’innesco portava le centinaia di kg deuterio alle condizioni adatte affinché fondesse quasi istantaneamente.

Al contrario, nei reattori a fusione nucleare si immettono solo pochi grammi di deuterio e trizio da fondere (od altri reagenti), qualsiasi sia la loro tipologia e dimensione. Proprio per questo, nonostante il plasma è riscaldato ad elevate temperature (100 milioni di gradi K), non è presente una quantità altrettanto elevata di energia. Una volta che il plasma raggiunge il limite di ignizione di 40 milioni di gradi, è riscaldato solo dall’energia elettromagnetica rilasciata dalle reazioni di fusione nucleare, che è una minima parte di quella totale.

Qualsiasi imprevisto che porti alla rottura della camera a vuoto, porterebbe alla rapida espansione dei gas atmosferici all’interno della camera, sottraendo l’energia del plasma e bloccando nuove reazioni di fusione. E’ importante infatti che il plasma sia purissimo affinché avvengano le reazioni di fusione. In pratica, ogni imprevisto al reattore porterebbe ad eliminare le condizioni create al suo interno per permettere la formazione spontanea delle reazioni ed evitare qualsiasi esplosione nucleare.

Quante scorie produrrebbe?

Come detto in precedenza, esistono molti tipi di reazioni di Fusione Nucleare, e di conseguenza diversi prodotti possibili. Nei tokamak, si cerca di usare la reazione che richiede minor energia di tutte: la reazione fra Deuterio e Trizio con un energia di attivazione di 100 keV. Ciò vale in generale per tutti i reattori in cui si vuole confinare per lungo tempo un plasma caldo. Per altri approcci, come il Dense Plasma Focus (DPF), si studiano altri tipi di reazioni, come quelle Protone-Boro e Deuterio – Elio3 che sono aneutroniche.

Reazione fra Deuterio e Trizio.

2D + 3T → 4He + 3,5 MeV + 14,1 MeV 0n

Fra i prodotti della reazione sono presenti un nucleo di Elio [4He], 3,5 MeV di energia elettromagnetica ed un neutrone [0n] a 14,1 MeV, che in gergo è definito appunto neutrone veloce. Ciò vale per ogni coppia di nuclei di Deuterio [2D] e Trizio [3T] che si fondono. Dunque, la maggior parte dell’energia liberata da questa reazione è mediata attraverso i neutroni veloci liberati, che sono fra le radiazioni ionizzanti più difficili da schermare. Per riuscire allo stesso tempo a schermare ed assorbire l’energia prodotta ed autoalimentare i reattori con il Trizio (le cui scorte sono veramente limitate, perché viene prodotto attraverso gli impianti di fissione nucleare), si è deciso di sfruttare la reazione di spallazione nucleare con i due isotipi del litio:

6Li + 0n  → 4He + 3T
7Li + 0n  → 4He + 3T + 0n

(nel caso del Litio-7 il neutrone prodotto è un neutrone lento), rilasciando calore che verrebbe assorbito dall’acqua che scorre nei divertori e che alimenta la caldaia del ciclo Braiton-Joule. Il ciclo termodinamico che converte l’energia termica in energia meccanica ed infine elettrica, come in una qualsiasi centrale termoelettrica.

Quindi, assumendo che tutti i neutroni veloci diano luogo a fenomeni di spallazione con il litio fuso nella camera a vuoto, si può supporre che nessun neutrone esca dalla camera a vuoto. Questo è un caso limite, e quindi si suppone che comunque i divertori assorbiranno i neutroni veloci non interagenti con il litio, attivandosi. Ciò porterà questi componenti a dover essere sostituiti e soggetti a decommissioning alla fine della loro vita utile, similmente come si fa con le strutture dei reattori a fissione nucleare dismessi. Si tratterebbe comunque di poche tonnellate di materiale per tutta l’attività dei reattori. Oltre a ciò, l’Elio prodotto dalla reazione è del tutto inerte.

Reazioni fra Protone e Boro-11.

p + 11B  → 34He + 8,7 MeV

è detta Aneutronica proprio perché non troviamo neutroni fra i prodotti, ma solo 3 nuclei di Elio [4He] e 8,7 MeV di energia elettromagnetica. Nel caso di DPF contribuirebbe ad aumentare l’energia cinetica del plasmoide ionizzato. Verrebbe estratta frenando il plasmoide che nel suo moto si comporterebbe come la corrente elettrica dell’avvolgimento primario di un trasformatore. Quindi attraverso l’induzione magnetica verrebbe decelerato e la sua energia trasferita ad un circuito per l’accumulo. Questa metodologia permette una Conversione Diretta. Altra parte dell’energia verrebbe irradiata sotto forma di raggi X dal fenomeno del Bremsstrahlung, ed assorbita attraverso l’effetto fotoelettrico. In questo caso, mancando l’emissione di neutroni veloci, le strutture del reattore non si attiverebbero e l’elio prodotto sarebbe del tutto inerte. Quindi, le Aneutroniche sono particolarmente interessanti perché non richiederebbero le pesanti schermature dei divertori presenti nei Tokamak, permettendo la realizzazione di reattori compatti.

In Conclusione.

Quindi la Fusione Nucleare si prospetta come la fonte di energia del prossimo futuro. Ci permetterebbe di rimpiazzare quelle esistenti grazie alla sua elevata densità energetica. Per il momento si investe e si punta principalmente sui tokamak, che sono quelli maggiormente conosciuti e sperimentati, ed è molto probabile che effettivamente dall’iter di ricerche che sta portando ad ITER e DTT si riuscirà a realizzare il primo prototipo di reattore commerciale DEMO.

Nonostante ciò, ancora non è detta l’ultima parola. Sia istituti di ricerca che privati stanno investendo molto su approcci innovativi ed alternativi ai classici Tokamak, come alcuni di quelli che vi abbiamo citato. Quindi non è detto che nei prossimi anni non potrà arrivare proprio da questi l’uovo di colombo al problema. Senz’altro si aprirebbero interessanti prospettive per il futuro. Non significherebbe solo riuscire a risolvere i problemi energetici del pianeta. Grazie soprattutto alle Aneutroniche si potrebbero alimentare persino veicoli di grandi dimensioni, come aerei, astronavi e navi, aprendo nuove prospettive che tutt’oggi ci sono negate.

In Copertina: 3 tori sferici creati dal plasma di Argon, Elio ed Idrogeno nel reattore sperimentale Proto Sphera. Fonte: Futuro 24

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