Imbrigliare l energia solare: i reattori a fusione Understand article

Tradotto da Flora Ognissanto. Energia rinnovabile, pulita, illimitata –come ottenerla? Christine Rüth, del EFDA, presenta il tokamak, il più avanzato dispositivo per la fusione.

Immagine gentilmente
concessa da Rita Thielen /
Pixelio

Il sole produce una enorme quantità d’energia attraverso la fusione di nuclei di atomi leggeri in nuclei di particelle più pesanti. Se gli scienziati riuscissero a riprodurre in maniera sostenibile questo processo sulla Terra, avremmo una fonte di energia pressoché inesauribile e non dannosa per il clima. Una centrale nucleare da un giga-watt consumerebbe solo 250 chili di combustibile all’anno e produrrebbe elettricità senza emettere biossido di carbonio. Una centrale termoelettrica a carbone della stessa potenza brucia 2.7 mega-tonnellate di carbone ogni anno.

Diversamente dalla fissione, la fusione non innesca una reazione a catena, il che la rende intrinsecamente sicura: per fermare la reazione basta solo interrompere l’erogazione di combustibile. Inoltre, sebbene alcune delle componenti del reattore diventino radioattive durante il processo, questa radioattività è a vita breve: i materiali possono venire smaltiti in modo sicuro dopo circa cento anni, in contrapposizione alle diverse migliaia di anni richiesti per un reattore a fissione (per maggiori dettagli si veda Warrick, 2006).

Figura 1: Una centrale
elettrica a fusione fonderà
nuclei di trizio (due neutroni,
in blu, e un protone, in rosso)
con nuclei di deuterio (un
neutrone e un protone),
generando nuclei di elio-4 e
un neutrone di alta energia
.
Immagine gentilmente
concessa da EFDA-JET

Per oltre trent’anni gli scienziati che lavorano al più grande esperimento europeo sulla fusione, il Joint European Torus (JET) a Culham, nel Regno Unito, hanno compiuto progressi significativi verso la fusione. Ciò nonostante, l’energia che richiede JET è maggiore di quella che genera – il che non è conveniente per una centrale elettrica! Il passo successivo sarà l’esperimento internazionale ITER, che dovrebbe essere messo in funzione nel 2019. ITER sarebbe il primo reattore a produrre un surplus di potenza – 500 mega-watt da 50 mega-watt in ingresso (si veda Warrick, 2006).

Come funziona dunque la fusione?

Per ottenere la fusione sulla Terra, gli scienziati hanno scelto la reazione più efficiente che avviene nel sole – la fusione di due isotopi di idrogeno: deuterio e trizio. La reazione produce un nucleo di elio-4 e un neutrone, il quale possiede l’80% dell’energia di fusione (Figura 1). Questi neutroni veloci sono catturati nella parete d’acciaio del reattore, la quale trasferisce il calore al fluido di raffreddamento al suo interno, che a sua volta fa girare una turbina per produrre elettricità.

Figura 2: Struttura del
tokamak di JET dove si
mostra la camera in acciaio
circondata da otto grandi
bobine di rame, responsabili
della produzione dei campi
magnetici. Per avere un’idea
delle dimensioni si confronti
con l’immagine dell’uomo in
basso a sinistra.

Immagine gentilmente
concessa da EFDA

L’impianto a fusione

Attualmente il più avanzato dispositivo per la fusione è il tokamak. Il cuore di un tokamak è il reattore, una camera toroidale in acciaio, la cui parete interna è rivestita da piastrelle rimovibili e termoresistenti, con numerose aperture destinate agli apparati per il riscaldamento, le misurazioni e ad altri impianti (Figura 2). Per iniziare il processo di fusione si crea il vuoto spinto nella camera – al JET si è a circa a 0.00000001 millibar – dopodiché, vengono iniettati alcuni grammi di deuterio e trizio in stato di gas. Questo viene riscaldato oltre i 10 000 ºC, al punto che gli elettroni si separano dai nuclei. Il gas ionizzato si chiama plasma, o quarto stato della materia, ed è la base per produrre energia di fusione.

Condizioni per la fusione

Immagine del sole visto
attraverso l’Extreme
Ultraviolet Imaging
Telescope (telescopio
nell’ultravioletto estremo) a
bordo del Solar and
Heliospheric Observatory
(SOHO, osservatorio solare e
della eliosfera) che staziona a
1.5 milioni di chilometri dalla
Terra
.
Immagine gentilmente
concessa da ESA, NASA, SOHO
/ EIT team

Far fondere i nuclei non è un’impresa semplice: sono carichi positivamente e si respingono, per cui, perché possano fondere, occorre che collidano a velocità molto elevatew1. Poiché la velocità di una particella è relazionata alla temperatura, si ha che il plasma deve raggiungere milioni di gradi Celsius prima che il processo di fusione abbia luogo. Benché il plasma perda calore dalla superficie, può mantenersi caldo attraverso l’assorbimento dei nuclei di elio prodotti nelle razioni, e questo processo di fusione auto-sostenuto può continuare fintantoché venga iniettato del nuovo combustibile. Comunque, la sfida è proprio raggiungere questo stato, ovvero la ignizione del plasma. Perché ciò avvenga il plasma deve essere opportunamente caldo e denso (così da assicurare un sufficiente tasso di reazione) e conservare la sua energia bastante a lungo: quest’ultima condizione è chiamata tempo di confinamento.

Il prodotto di questi tre parametri – temperatura, densità e tempo di confinamento – è il cosiddetto prodotto triplo, parametro cruciale nella fisica della fusione. Tipicamente, affinché abbiano inizio le reazioni di fusione, il plasma deve avere 100-200 milioni di gradi, con una densità di circa 1020 particelle per metro cubo (approssimativamente 1 mg/m3, un milionesimo della densità dell’aria) e deve rimanere in questo stato per 3-6 secondiw2. Una così alta temperatura parrebbe un obiettivo arduo, ma il problema non sta nel riscaldamento (si veda più avanti). È invece l’appropriato tempo di confinamento che è difficile da ottenere – conservando la temperatura (e densità) – dato che il plasma perde rapidamente energia e particelle (le quali portano via con sé energia).

Come funziona un tokamak?

1) Contenere il plasma: i campi magnetici

Affinché la temperatura si mantenga elevata e, nello stesso tempo, si proteggano le pareti del reattore (che altrimenti si eroderebbero rapidamente), è necessario tenere il plasma staccato da queste ultime. Per fare ciò gli scienziati sfruttano la Forza di Lorentz a cui è soggetta una particella carica quando applicatole un campo magnetico. Questa forza è perpendicolare sia alla direzione di movimento della particella, sia al campo magnetico e pertanto induce la particella a ruotare attorno alla linea di campo magnetico. Ne risulta uno spostamento a spirale delle particelle attorno alle linee di campo, secondo versi opposti per elettroni e nuclei (Figura 3).

Figura 3: Un campo magnetico B impartisce una forza su una particella carica. La forza elettromagnetica che agisce sulla particella di carica q e velocità v è chiamata Forza di Lorentz ed è data da
F = qE + qv × B
Il primo termine (qE) è il contributo del campo elettrico, il secondo (qv x B) è la forza magnetica la cui direzione è perpendicolare alla velocità v e al campo magnetico B. La forza magnetica è proporzionale a q ed alla grandezza v × B. In termini dell’angolo ϕ tra v e B, l’intensità della forza sarà qvB sen ϕ.
(Fonte: Encyclopædia Britannica Online (magnetic force: moving charges). Accessed 23 January 2012. www.britannica.com/EBchecked/media/1319/
Magnetic-force-on-moving-charges
)

A: Le particelle cariche che si muovono attraverso un campo magnetico sono soggette alla Forza di Lorentz, la quale le induce a spiraleggiare attorno le linee di campo. I versi delle particelle cariche positivamente e negativamente sono opposti.


B: Il movimento delle particelle senza campo magnetico.

Per gentile concessione di EFDA

Figura 4: Diversi gruppi di
bobine e la corrente di
plasma creano il campo
magnetico elicoidale che
confina il plasma. Le bobine
interne di campo poloidale,
nel solenoide centrale,
inducono la corrente di
plasma. Cliccare sull’
immagine per ingrandirla.

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concessa da EFDA

Il dispositivo a confinamento magnetico più avanzato è il tokamak, una camera a vuoto a forma toroidale (a forma di ciambella) avvolta da bobine. Una corrente elettrica che fluisce attraverso una serie di avvolgimenti (bobine di campo toroidale, Figura 4) genera un campo magnetico ad anello. L’intensità di questo campo non è uniforme, dato che nella parte interna del toro (ovvero la ciambella) le bobine sono tra loro più vicine. Perciò, quando le particelle si trovano nella parte interna della linea di campo attorno la quale stanno ruotando, sono soggette ad una Forza di Lorentz maggiore. Come conseguenza, si ha una graduale deriva dalla loro linea di campo verso la superficie del plasma.

Per ridurre questo effetto si genera un secondo campo magnetico, il campo poloidale.

Il campo magnetico risultante a forma di spirale si avvolge attorno al plasma, confinandolo in maniera efficiente. Il modo più semplice per generare un campo poloidale è attraverso una corrente di plasma.

Questa si genera quando le particelle del plasma si spostano lungo la ciambella attorno le linee di campo toroidale – elettroni e ioni con versi opposti. Come un cavo elettrico, questa corrente crea attorno a sé un campo magnetico a forma di anello. Questo, sostanzialmente, è indotto da un trasformatore nel quale il plasma agisce come bobina secondaria attorno ad un grande avvolgimento primario (le bobine interne di campo poloidale). Poiché il plasma tende a traslare verticalmente, per controllarne la posizione e la forma si utilizza un campo magnetico addizionale, creato da bobine esterne di campo poloidale.

2) Riscaldamento

Per riscaldare il plasma fino a 100-200 milioni di gradi gli scienziati usano tre sistemi complementari (Figura 5).

Figura 5: Per ottenere un
plasma a 100-200 milioni di
gradi centigradi si usano tre
sistemi di riscaldamento
complementari:
riscaldamento ohmico,
iniezione di fasci di neutri e
riscaldamento con
radiofrequenza. Cliccare
sull’immagine per
ingrandirla.

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concessa da EFDA
  1. La stessa corrente di plasma produce calore (riscaldamento ohmico) – così come un cavo si riscalda quando una corrente elettrica vi fluisce.
     
  2. Fasci di particelle di alta energia, generalmente atomi di idrogeno, vengono iniettati nel plasma, dove, attraverso collisioni, trasferiscono la loro energia alle particelle di quello (come avviene per una palla da biliardo veloce che urtando una più lenta la fa accelerare). Il fascio è generato, in un primo stadio, accelerando con alta tensione degli ioni. Dopodiché, dato che le particelle cariche non possono penetrare il campo magnetico che avvolge il plasma, vengono convertite in atomi neutri prima della loro immissione.

Nella pratica non è un compito semplice. Un acceleratore, per dare velocità alle particelle, sfrutta la forza di attrazione che un alto potenziale esercita su di una particella carica (o ione). Tuttavia, solo le particelle non cariche (neutre) possono penetrare il campo magnetico presente attorno al plasma. Pertanto bisogna per prima cosa strappare gli elettroni agli atomi di idrogeno neutro, dopodiché accelerarli e, infine, renderli di nuovo neutri prima della iniezionew3.

  1. Onde elettromagnetiche a frequenze note vengono emanate da antenne presenti nella camera toroidale. Si producono in questo modo risonanze nelle particelle del plasma che quindi assorbono l’energia delle onde.

Perché l’energia da fusione tarda tanto?

Le centrali elettriche del
futuro saranno alimentate
dalla fusione?

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concessa da Khánh Hmoong;
Fonte dell’immagine: Flickr

Nel 1970 gli scienziati credevano che, una volta che fossero riusciti a riscaldare sufficientemente il plasma e a generare campi magnetici abbastanza grandi, avrebbero raggiunto l’obiettivo della energia da fusione. Ma il plasma si è rivelato essere altamente instabile e perdere molta più energia di quanto previsto. Da allora, gli scienziati hanno continuato a studiare la fisica che sta dietro questi fenomeni e hanno sviluppato metodi per controllare queste instabilità. Se, infine, ITER genererà un surplus netto di energia come previsto, queste questioni si potranno considerare risolte e la prima centrale a fusione potrebbe essere operativa entro il 2050.

 

Energia da Fusione

La fusione di un nucleo di trizio (T) con uno di deuterio (D) libera 17.6 MeV di energia, della quale l’80% – 14.1 MeV – è trasportata dal neutrone e può essere sfruttata per produrre elettricità. Dalla fusione di 1 kg di D con 1.5 kg di T (la massa del T è 1.5 volte quella del D) si generano 14.1/(2*1.67262*10-27) = 4.2*1027 MeV, tenendo in conto che un nucleo di D è costituito da un protone ed un neutrone, ognuno dei quali del peso di 1.67262·10-27 kg.

Un chilogrammo di D contiene 3·1026 nuclei (un nucleo di D include un neutrone ed un protone, ognuno del peso di 1.6·10-27 kg). FPertanto, fondendo 1 kg di D (con 1.5 kg di T, dato che la massa del T è 1.5 volte quella del D) si ottengono 3·1026 reazioni di fusione e si producono 14.1 x 3·1026 = 4.2 x 1027 MeV d’energia.

Una centrale elettrica a fusione con una efficienza del 40% potrebbe generare 70 GWh di elettricità (1 eV = 1.6*10-19 J oppure W·s) da 1 kg di D, abbastanza da provvedere a 20 famiglie medie in un paese industrializzato.

Il deuterio può essere estratto dall’acqua marina, la quale ne contiene 35 grammi per metro cubo. Il trizio in natura non si trova in grandi quantità, ma lo si può ottenere da un metallo leggero, il litio, con l’ausilio di alcuni dei neutroni generati dalla reazione di fusione:

6Li + n => 4He + 3H + energia

oppure dalla reazione analoga con il 7Li. La maggior parte dei minerali terrestri contengono litio, da 2.3 kg di questo si ricava 1 kg di trizio. Una centrale elettrica a fusione che produca 1 GW di elettricità (valore simile a quello delle centrali elettriche a fissione) necessiterebbe 150 kg di T e 100 kg di D all’anno.

Ulteriori informazioni su EFDA-JET

In quanto associazione in partecipazione, il JET è usato da più di 40 laboratori europei che si occupano di fusione. L’European Fusion Development Agreement (EFDA), ovvero l’accordo europeo per lo sviluppo della fusione, coordina l’attività di ricerca al JET tra i più di 350 scienziati ed ingegneri di tutta Europa che partecipano al programma di investigazione.

EFDA-JET è membro del EIROforumw4, editore di Science in School.

Ringraziamenti

Si ringrazia Örs Benedekfi, precedente responsabile del servizio di informazioni al pubblico del EFDA, per il suo contributo a quest’articolo.

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References

Web References

  • w1 – Nel 2007 durante il Science on Stage international teaching festival (festival internazionale dell’insegnamento “La Scienza in Scena”), Zoltán Köllö vinse un premio per la sua semplice illustrazione pratica sulla fusione nucleare e la barriera Coulombiana, usando un paio di gocce d’acqua e il fondo di una lattina. Per apprendere come eseguirla, si veda: www.esa.int/SPECIALS/Science_on_Stage/SEMRE58OY2F_0.html
    • Maggiori informazioni su Science on Stage, la rete degli insegnanti di scienze europei, si veda: www.scienceonstage.eu
  • w2 – Per sapere di più sulla fusione, sui reattori a fusione e su EFDA-JET, si veda: www.efda.org
  • w3 – Per ulteriori dettagli su come viene prodotto un fascio di particelle di alta energia, si veda il sito web di EFDA (www.efda.org) o si segua il link diretto: http://tinyurl.com/neutralbeam
  • w4 – Per conoscere di più riguardo EIROforum, vedasi: www.eiroforum.org

Resources

  • Per sapere di più riguardo la fusione nel sole, si veda:
  • Per una panoramica completa della ricerca sulla fusione in Europa, informazioni di base sulla fisica del plasma, sui tipi di reattori, oltre a mirabili animazioni e video, si veda: www.efda.org
  • Per scoprire come degli scienziati hanno fortuitamente generato del plasma nel loro forno a microonde e su come lo hanno utilizzato per la loro ricerca, vedasi:

Institution

EUROfusion

Author(s)

La dottoressa Christine Rüth è la curatrice del bollettino di informazioni Fusion in Europe del EFDA. Conseguì il dottorato di ricerca in fisica nel campo della investigazione sul clima ed attualmente si dedica al tema delle possibili soluzioni energetiche propizie per il clima. Dopo aver lavorato nell’industria come fisico, ottenne un master in comunicazione della scienza e da allora ha lavorato come divulgatrice scientifica.


Review

Questo articolo descrive lo studio su come produrre energia elettrica mediante la fusione di atomi leggeri – proprio come fa il sole. Offre agli insegnanti di fisica o di scienze una panoramica dettagliata su come funziona la fusione e su quali sono le sfide da vincere per produrre energia in una centrale elettrica a fusione.

Le questioni del cambiamento climatico e dell’effetto serra implicano che molti paesi devono risolvere il problema su come produrre energia rinnovabile in modo sostenibile. Pertanto questo pezzo potrebbe essere utile non solo per lezioni di fisica, ma anche per lezioni di biologia, geografia e lingua.

L’articolo dovrebbe stimolare la discussione attorno ad una vasta serie di questioni, tra cui:

  • Come funziona la fusione?
  • Perché, nonostante 30 anni d’investigazione, non stiamo ancora producendo energia da centrali elettriche a fusione? Quali sono le sfide da vincere?
  • Quali potrebbero essere i vantaggi di utilizzare reattori a fusione?
  • La modalità di produzione di energia dalla fusione è di tipo sostenibile?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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CC-BY-NC-ND