Il problema sempre più pressante dei cambiamenti climatici sta evidentemente catalizzando gli sforzi della ricerca nel campo energetico, ad ampio spettro. Importanti risultati si sono ottenuti in quest’ultimo periodo nello studio dei sistemi per la gestione e per il controllo delle reazioni di fusione nucleare, mentre continua l’analisi delle configurazioni impiantistiche per arrivare presto ai reattori a fissione di IV generazione.
La fissione nucleare gioca il suo ruolo nella frammentazione (fissione) di un nucleo atomico pesante, composto da un certo numero di protoni e di neutroni, che restituisce nella reazione parte di quella energia spesa dal nucleo per mantenersi “unito”. Nella fusione nucleare, si ottiene invece produzione energetica legando insieme nuclei di elementi leggeri, come l’idrogeno, composto da un nucleo che ospita un solo protone (positivo) e un elettrone orbitante (negativo).
In realtà, in questo caso il legame che si studia prevalentemente nelle attuali macchine si dovrebbe raggiungere dalla fusione di due “isotopi” dell’idrogeno – il deuterio (D) e il trizio (T) – che differiscono dall’idrogeno comunemente inteso per la presenza nel nucleo, oltre al protone, di un neutrone (per il deuterio) e di due neutroni (per il trizio). Il legame (la fusione) tra questi due isotopi formerebbe un elemento più pesante, l’elio, composto in questo caso dai due protoni e da due dei neutroni coinvolti nella reazione D + T, più uno “libero” (altrimenti, i conti con i neutroni totali non tornerebbero!), con produzione di molta energia.
Il problema della fusione è legato essenzialmente alla difficoltà di avvicinare fra loro i protoni, che sono portatori di carica positiva e che quindi tendono a respingersi, un po’ come i poli uguali di un magnete (esperienza che abbiamo fatto quasi tutti, soprattutto da bambini, per un motivo o per un altro!). Quale mezzo allora abbiamo, per far avvicinare i protoni coinvolti nelle reazioni di fusione? Pensiamo a un gas, composto da tante molecole che si muovono in modo disordinato urtando fra loro e con le pareti del recipiente che lo contiene. La temperatura di un gas è legata all’energia prodotta da questo moto incessante (agitazione termica). Più è alta la temperatura, maggiore quindi è questa agitazione, e più aumenterà sia il numero che l’intensità di questi urti (v. precedente mia nota in questo blog: “Cosa avviene esattamente dentro un reattore a fusione nucleare”).
Ecco dunque la chiave! Per favorire gli avvicinamenti fra protoni, sarà necessario fornire calore (energia) ai protoni in modo tale che possano superare la barriera che li fa respingere, lasciando poi alle forze nucleari forti, che agiscono proprio sulla brevissima distanza, il compito di saldarli insieme con tutta la loro grande intensità (di molto superiore a quella che li farebbe allontanare). Solo che, a conti fatti, per arrivare a questo risultato, occorrerà raggiungere temperature dell’ordine del centinaio di milioni di gradi! A questa temperatura, gli elettroni verrebbero strappati agli atomi (ionizzazione) creando una corrente di cariche positive (come i protoni di un nucleo privato della controparte negativa, l’elettrone) e cariche negative (gli elettroni, appunto): si raggiungerebbe così lo stadio di “plasma”. Un oggetto molto difficile da imbrigliare e da mantenere stabile, soprattutto perché, a quelle temperature, nessun recipiente materiale potrebbe contenerlo. E, infatti, esso deve essere intrappolato dalle spire di un fortissimo campo magnetico, in genere con una geometria toroidale, cioè a ciambella, lontano dalle pareti che lo racchiudono. Ecco ottenuto il modello base delle configurazioni a confinamento magnetico di tipo “tokamak”, previsto per i reattori di futura generazione di cui si sta studiando la fattibilità, come il reattore sperimentale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) nato da una collaborazione internazionale (Europa, Giappone, Stati Uniti, Russia, Cina, India e Corea, con un notevole contributo italiano) che si sta costruendo in Francia, precursore del futuro primo reattore dimostrativo, DEMO, capostipite della filiera di impianti a fusione nucleare controllata.
La fusione nucleare si può però ottenere anche per altra via, definita a confinamento inerziale, ed è la strada che più somiglia a quella “naturale” dei processi legati alla formazione delle stelle.
In questi astri, infatti, l’accensione della fornace nucleare si raggiunge per compressione gravitazionale di una iniziale nube di idrogeno libera. Una nube di questo tipo può collassare su sé stessa in base a processi perturbativi o per progressiva formazione di densità locali che richiamano via via il resto della nube per semplice attrazione gravitazionale. Il processo è generalmente simmetrico per cui la nube alla fine si compatterà in forma sferica. Le enormi pressioni cui sarà sottoposta la parte centrale della protostella innalzeranno poco alla volta la temperatura e l’aumento di densità farà sì che i protoni possano trovarsi nel breve raggio di azione della interazione nucleare forte legandosi fino alla soglia di ignizione: la stella si accende e inizia così la sua storia e la sua evoluzione.
La fusione a confinamento iniziale simula in un certo senso la compressione gravitazionale tramite la pressione della radiazione emessa in forma simmetrica e coerente da una serie di laser ad altissima potenza su una microsferula contenente una miscela di deuterio e trizio. Nella conseguente evaporazione, la miscela viene compressa per reazione fino a raggiungere le densità necessarie all’ignizione.
È appunto questa tecnica che ha prodotto, verso la fine dello scorso anno, dei risultati molto promettenti presso il NIF del Lawrence Livermore National Laboratory [A. B. Zylstra et al. – Burning plasma achieved in inertial fusion – Nature volume 601, pages 542–548 (2022)]. Nell’esperienza, che migliora di molto precedenti risultati, 192 raggi laser erogano fino a 1,9 milioni di joule di energia di luce triplicata in frequenza in una opportuna cavità chiamata “Hohlraum” che contiene il target di combustibile, una cavità dotata di particolari caratteristiche necessarie a focalizzare e a distribuire in modo uniforme la radiazione al suo interno. Sono proprio le pareti di questa cavità, sollecitate dalla pressione di luce laser, a produrre radiazione X focalizzata sul bersaglio in modo da farlo reagire per compressione (guida indiretta).
La superficie esposta del target al centro dell’hohlraum assorbe circa il 10-15% dei raggi X generando pressioni elevate dell’ordine delle centinaia di milioni di bar e producendo una espansione (ablazione) esterna che comprimerà per reazione la parte interna contenente il combustibile. L’accelerazione diretta verso l’interno causata dall’ablazione spingerà la miscela deuterio–trizio in una implosione con una accelerazione enorme (circa 10 con quattordici zeri metri al secondo per secondo!) ottenendo velocità di circa 350–400 km al secondo in pochi miliardesimi di secondo e facendo raggiungere al sistema circa 50 milioni di gradi kelvin.
La maggior parte dell’energia dei raggi X (circa 92-95%) verrà assorbito dal processo di ablazione ma, come risultato finale, la miscela deuterio–trizio raggiungerà un’energia cinetica considerevole (circa dieci–venti migliaia di joule) all’interno di un volume molto piccolo. La fusione nucleare prodotta genererà, come abbiamo visto, un nucleo di elio (particella alfa). Tale particella sarà poi responsabile del riscaldamento (autoriscaldamento) dello stesso combustibile.
Questo nuovo e notevole risultato, con più di 1.35 milioni di joule di energia prodotta, pari a oltre 5 volte l’energia assorbita e oltre il 70% dell’energia laser totale impiegata (pari a 1.9 milioni di joule), mostra per la prima volta che l’ignizione è effettivamente possibile.
Ci vorrà ancora tempo, prima di arrivare alla parità energetica, ma le strade che si stanno seguendo sono davvero promettenti, vista la collezione di ottimi risultati. Anche la Cina, con le sue macchine a confinamento magnetico, ha ottenuto di recente stabilità del plasma di fusione a circa 70 milioni di gradi per oltre diciassette minuti. Un altro grande passo in avanti della ricerca nel settore energetico che forse ci libererà per sempre dalla dipendenza da fonte fossile, e soprattutto dalle nostre preoccupazioni per l’ambiente, nel prossimo futuro.
Un futuro che speriamo sia sempre più vicino. Soprattutto per le prossime generazioni che erediteranno il mondo che noi stiamo lasciando alla loro cura, non in così buone condizioni.
Source: agi