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Fusion (completato)
- Progetto di Fisica
supportato dal Laboratorio Nazionale di Fusione del CIEMAT
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La fusione per confinamento magnetico potrebbe essere una fonte d'energia che risolverà nel futuro alcuni dei problemi che presenta il nostro modello energetico come l'esaurimento dei combustibili fossili e le emissioni di CO2 che aumentano il riscaldamento globale.La fusione avviene quando si uniscono due nuclei energetici in uno più pesante, processo nel quale si libera una immensa quantità d'energia. La luminosità e il calore delle stelle, per esempio, sono prodotti dalla fusione di atomi d'idrogeno. Nelle stelle, la materia s'incontra in uno stato di plasma, ossia un gas quasi completamente ionizzato.
nell'immagine: processo tipico di fusione degli isotopi dell'idrogeno
A causa della repulsione elettrica dei nuclei atomici - due cariche positive si respingono sempre fra loro -, il plasma dev'essere ad una temperatura altissima affinchè la fusione abbia luogo. Approssimativamente a 100 milioni di gradi centigradi. I reattori di fusione sono macchine complesse che mantengono il plasma lontano dal contatto con le pareti. Questo si ottiene tramite potentissimi campi magnetici e la tecnologia più avanzata. Ad ogni modo, non si sono ancora costruiti dei reattori che mantengano sotto controllo la fusione in modo economicamente vantaggioso.
Il prossimo passo della comunità scientifica sarà la costruzione del reattore ITER (International Termonuclear Experimental Reactor - Reattore Termonucleare Internazionale Sperimentale) nel Sud della Francia, promosso da un consorzio internazionale che investirà 10.300 milioni di euro. ITER vuole dimostrare la fattibilità dell'energia a fusione.
Nell'immagine (da sinistra a destra e dall'alto in basso): Sezione della camera vuota, luogo dove sarà confinato il plasma. Misura approssimativamente 3,5*8 m / 3 bobine superconduttrici che creano il campo magnetico principale, 100 mila volte più forti di quello terrestre / ITER, l'interno del criostato che mantiene le bobine nello stato di superconduttore e, dentro, la protezione che lo isola dall'esternoLa dinamica del plasma è estremamente complessa e attualmente non si è raggiunta la sua piena comprensione. Gli scienziati del Centro de Investigaciones Energèticas Medioambientales y Tecnòlogicas (CIEMAT), che hanno lavorato nel calcolo dei plasmi per lo Stellarator spagnolo TJ-II, e dell'Instituto de Biocomputaciòn y Fisica de Sistemas Complejos (BIFI) della Universidad de Zaragoza realizzano simulazioni di plasmi che si otterranno nel progetto ITER. I computer dei volontari collaborano in questo progetto attraverso Ibercivis, calcolando le traiettorie dei nuclei che compongono il plasma e permettendo quindi di prevedere il suo comportamento generale.
Un computer domestico può impiegare dai 15 ai 30 minuti per calcolare una traiettoria completa. Con molte traiettorie, ci facciamo un'idea dell'aspetto e delle proprietà del plasma all'interno del reattore. Prima o dopo, i nuclei all'interno di ITER scappano. Grazie ad Ibercivis possiamo prevedere come sfuggono (in questo caso, per la parte superiore).
Approfondimento:
L'attuale modello energetico sul quale si basa il consumo dell'umanità presenta difficili problematiche tanto dal punto di vista ambientale quanto da quello sociale. Le principali fonti di energia sono i combustibili fossili, il petrolio e i suoi derivati, gas e carbone , che rappresentano approssimativamente il 75% del consumo totale. L'energia nucleare riesce a somministrare un 6,5% dell'energia complessiva e le fonti rinnovabili, sotto forma di biomassa, eolica, solare ed idroelettrica, completano il panorama, con poco meno del 20%.Dal punto di vista ambientale, questo modello porta a conseguenze di vario genere. Il consumo di combustibili fossili dà luogo, ad importanti effetti sul cambio climatico, mentre l'energia nucleare comporta fra le altre problematiche la creazione di pericolosi rifiuti radioattivi. Dal punto di vista sociale, il problema principale è costituito dalla disuguaglianza sia nel consumo che nella distribuzione delle risorse a livello mondiale.
Bisogna tenere in conto che i combustibili fossili sono destinati ad esaurirsi nel medio periodo, quindi, è una priorità cercare nuove fonti di energia che abbiano un basso impatto ambientale e che garantiscano la fornitura durante un lungo periodo. Le fonti rinnovabili sono chiamate a giocare un ruolo decisivo e dovranno essere complementate da altri tipi di fonte, come la fusione termonucleare.
La fusione presenta il vantaggio per il quale, da un lato non genera emissioni di gas serra, dall'altro lato il suo combustibile è praticamente inesauribile. Come principale impatto ambientale c'è da considerare la generazione di residui radioattivi di media e bassa attività. In ogni caso, dato il ruolo che la fusione può giocare nel futuro, questo problema potrebbe essere ammissibile dalla società, soprattutto tenendo in conto che questi residui sarebbero radioattivi durante alcune centinaia di anni.
Oltretutto la fusione non è una reazione a catena, ragion per cui nei reattori a fusione nucleare sarebbe impossibile che si produca un incidente come quello accaduto nel 1986 a Chernobyl. La quantità di combustibile nel reattore è molto piccola, per il quale in caso d'incidente grave la radioattività liberata sarebbe ugualmente piccola e non sarebbe necessario evacuare la popolazione circostante. La reazione potrebbe detenersi istantaneamente, in quanto il reattore uscirebbe dai parametri di funzionamento. In ogni caso, l'inconveniente della fusione è la sua grande complessità, che la rende tuttora non disponibile commercialmente.
L'energia della fusione proviene da certe reazioni nucleari nelle quali si uniscono nuclei leggeri per ottenere nuclei più pesanti. La forma di ottenere che i nuclei si scontrino fra di loro, nonostante si respingano a causa delle loro cariche positive, è quello di fornirli di sufficiente energia di movimento. Tale energia dev'essere simile a quella che possiedono le particelle all'interno delle stelle, che funzionano anch'esse mediante reazioni di fusione termonucleare. Si parla quindi di temperature di centinaia di milioni di gradi, che sono necessarie affinché le particelle si scontrino con sufficiente forza per vincere la repulsione delle cariche positive. Di conseguenza, bisogna investire energia per ottenere che i nuclei raggiungano le condizioni necessarie affinché si fondino e liberino una maggiore quantità di energia di quella somministrata.Nell'immagine: il Tokamak è una scoperta sovietica il cui nome proviene da Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushkami (la traduzione letterale sarebbe camera toroidale con bobina magnetica)
I plasmi possiedono proprietà diverse da quelle degli altri stati della materia (solido, liquido e gassoso). Logicamente, non esiste nessun materiale che resista a temperature tanto elevate ed è necessario ricercare strategie alternative per confinare il plasma e quindi risolvere tale problematica. La strategia più avanzata, sul quale si basa l'ITER, è il cosiddetto confinamento magnetico, ossia la creazione di uno schermo di campi magnetici che mantenga il plasma separato dalla parete del contenitore. I campi magnetici agiscono sulle particelle cariche integranti del plasma (ioni ed elettroni) e le mantengono confinate.
Nei plasmi, allo stesso modo che negli altri fluidi (gas e liquidi), si producono numerose instabilità che danno vita a fenomeni di trasporto della materia e dell'energia più o meno violenti. I plasmi sono sostanze nei quali i cambiamenti si producono violentemente, alla velocità della luce, e così in alcuni casi si producono instabilità che si propagano a tutto il plasma in modo quasi istantaneo. Inoltre sono buoni conduttori di elettricità e calore, e ciò fa sì che l'energia che gli si fornisce tende a scappare facilmente.
La Fisica del plasma s'è occupata da circa quattro decenni di tutti questi problemi, cosa che ha permesso grandi progressi sia tramite esperimenti sia con le simulazioni teoriche. Gli esperimenti sono importantissimi in questa disciplina, perché le attività di teoria e simulazione ancora non riescono a rappresentare esattamente tutti i fenomeni che avvengono nel plasma. In ogni caso bisogna tenere in conto che molte delle equazioni che governano il comportamento dei plasmi vanno risolte tramite i computer e solo recentemente esistono computer abbastanza potenti da essere capaci di ottenere risultati che abbraccino i fenomeni che avvengono nel plasma. In particolare, bisogna trattare con simulazioni di fenomeni turbolenti in presenza di campi magnetici, o con la tracciatura di milioni di particelle singole in una struttura complessa di campi magnetici.
Nell'immagine: Il Tokamak è una scoperta sovietica, il cui nome proviene da Toroidalnaya Kamera-ee Magnitnaya Katushka (la traduzione letterale sarebbe camera toroidale con bobina magnetica)
Dopo decenni di esperimenti si è giunti alla conclusione che il campo confinante i plasmi più efficace deve possedere una componente elicoidale. Non a caso, i contenitori magnetici più promettenti con prospettive di essere costruiti in un reattore sono il Tokamak e lo Stellarator, nei quali il campo magnetico possiede la succitata componente elicoidale.La differenza principale fra i Tokamak e gli Stellarator è che nei primi circola una corrente molto intensa attraverso il plasma, mentre nei secondi non circola, o se la fa la corrente è molto debole.
Un Tokamak è un dispositivo di confinamento magnetico a forma di ciambella (toro) nel quale il campo magnetico è creato in parte da un insieme di bobine magnetiche piane a forma di D e circolari, e in parte dalla propria corrente che circola nel plasma. Così si crea un campo magnetico con una certa componente elicoidale, imprescindibile per confinare il plasma. Questa stessa corrente è capace di riscaldare il plasma fino ad elevate temperature per la resistenza che le oppone il plasma stesso. Come s'è detto, il plasma è un buon conduttore di elettricità, per il quale la resistenza sarà debole e le temperature che possono essere raggiunte saranno limitate.
Dato che attraverso uno Stellarator non circola corrente, o meglio che questa è molto debole, tutto il campo magnetico si crea tramite bobine esterne. Negli Stellarator le bobine sono molto più complicate che nei Tokamak, dato che la parte elicoidale del campo magnetico va creata completamente con mezzi esterni. In particolare, nei moderni Stellarator, le bobine sono curve, cosa che aggiunge difficoltà per la sua progettazione e costruzione. La corrente che circola nel plasma dei Tokamak è vantaggiosa, nel senso che permette il risparmio di parte del campo magnetico e della potenza ausiliare di riscaldamento.
Anche così, le instabilità che appaiono nei plasmi si estendono rapidamente a tutto il volume del Tokamak, cosa che motiva che la corrente cambi, provocando che il campo magnetico si modifichi, e a sua volta provoca che il confinamento peggiori e così si ripete il ciclo. Questo processo è chiamato interruzione (disruption in inglese) e, fortunatamente, si può prevedere abbastanza bene quando va a prodursi. Gli Stellarator, dall'altro lato, sono liberi da questi problemi: non possono soffrire interruzioni e permettono un funzionamento continuo.
Nell'immagine: Tokamak. L'ingegnere del Lawrence Livermore National Laboratory of California (a destra) e un ingegnere giapponese in visita, esaminano il materiale superconduttore per la realizzazione di prove.
Oltre alla conoscenza dei plasmi e delle sue proprietà di confinamento, si rende imprescindibile lo sviluppo della Scienza dei materiali, chiave nei futuri reattori di fusione, visto che detti materiali devono sopportare condizioni estreme di radioattività e di flussi di calore.
Specialmente resistenti devono essere la parete del contenitore dove è racchiuso il plasma e un elemento conosciuto come divertore, situato nel punto dove maggiore sarà il flusso di potenza che fuoriesce dal plasma. Il divertore è un elemento del contenitore del reattore si concentra la maggior parte del flusso di calore e particelle del plasma che scappano dal campo magnetico confinante, per il quale si progettano delle bobine di campo magnetico appropriato. I materiali che compongono questi elementi devono essere molto resistenti e avere un basso livello di radioattività, ossia, devono sopportare bene il bagno di neutroni senza che si producano prodotti radioattivi che tardino più di cento anni nel convertirsi in innocui.
È necessario anche garantire che i metalli impiegati siano capaci di liberare il trizio catturato (gli isotopi dell'idrogeno s'immagazzinano facilmente in grandi quantità sulle superfici metalliche) con trattamenti appropriati.
Tutti questi problemi da affrontare fanno sì che, oltre alla Fisica del Plasma, anche la scienza dei materiali sia d'importanza chiave per ottenere che un reattore a fusione funzioni appropriatamente. Con questa finalità si stanno sviluppando simulazioni molto ambiziose nei supercomputer e si sta progettando un'installazione dove i materiali siano sottomessi a condizioni simili a quelle che devono affrontare nell'ITER.
L'ITER (International Tokamak Experimental Reactor) è l'esperimento futuro di fusione termonucleare tramite confinamento magnetico. Sarà del tipo Tokamak, nonostante i problemi citati anteriormente, perché questi dispositivi sono più avanzati che gli Stellarator e ottengono migliori parametri del plasma. La sua costruzione è già cominciata a Cadarache, una piccola località nel sud della Francia.L'ITER è un grande esperimento nel quale partecipano sette soci: lUnione Europea, Giappone, Russia, Cina, Stati Uniti, Corea del Sud e India. Fra tutti questi, il più importante in termini di apporto scientifico ed economico è l'Unione Europea.
L'ITER vuole dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione. Si vuole provare che il quoziente tra la potenza prodotta e quella iniettata (che si chiama Q nell'ambito della Scienza della fusione), sia di un valore uguale a 10, il quale dimostrerebbe la convenienza della fusione in termini economici.
Nell'immagine: fabbricazione di uno dei componenti dell'ITER
Nel suo attuale progetto, l'ITER, non produrrà elettricità in forma commerciale, però permetterà di valutare i sistemi che lo faranno in futuro, nel momento in cui permetterà di testare vari progetti di un dispositivo molto importante che si trova fuori dal contenitore: il cosiddetto manto fertile, dove si deposita l'energia dei neutroni, le quali collisioni con il litio permetteranno di fabbricare il trizio che non esiste in natura sulla Terra. Inoltre, si proveranno i tre principali sistemi di riscaldamento che saranno di utilità nei reattori commerciali, alcuni dei quali sono molto recenti e tuttavia richiedono sviluppi successivi.
Si proveranno nuovi sistemi di controllo, di acquisizione e d'immagazzinamento di dati, di supercomputer che permettano di simulare i plasmi dell'ITER, di sistemi di manipolazione remota per evitare che le persone entrino in zone aggressive tanto dal punto di vista chimico come radioattivo.
In Spagna, le WU di Fusion hanno radice nel gruppo del Laboratorio Nacional de Fusion del CIEMAT, che ha posto in essere lo Stellarator TJ-II, e che sta partecipando in numerosi compiti specifici per costruire l'ITER. Nonostante si tratti di un Tokamak, esistono numerosi aspetti della Fisica del plasma comuni per i Tokamak e gli Stellarator, in modo tale che l'esperienza acquisita nel TJ-II è anche valida per l'ITER. In particolare, si realizzano studi del trasporto turbolento e dell'azione dei campi elettrici sul plasma, così come gli effetti sul confinamento di diverse topologie magnetiche, tutte utili per l'ITER. Alla stessa maniera, si realizzano studi di materiali e dell'interazione fra il plasma e la parete, d'utilità per i futuri reattori a fusione.
I risultati scientifici e tecnologici dell'ITER saranno la chiave per dimostrare la fattibilità della fusione come un'alternativa energetica per il secolo XXI. E' difficile prevedere l'orizzonte temporale in cui la fusione sarà disponibile, però, d'accordo con le stime, è complicato che sia disponibile un reattore commerciale di dimostrazione prima dell'anno 2035.