Perché è necessaria l'energia termonucleare?
Per evitare che la temperatura globale aumenti di oltre 1,5
E se esistesse un'unica soluzione energetica in grado di risolvere tutti questi pressanti problemi? Anche se questo suona fantastico, esiste.
Una delle più potenti forme di energia che abbiamoche usiamo oggi è l'energia nucleare. Sebbene l'energia nucleare moderna sia estremamente efficiente e generi zero emissioni di carbonio, presenta molti svantaggi e sono gravi: potenziali fusioni nucleari e scorie radioattive che rimangono pericolose per migliaia di anni.
Ma c'è un modo migliore.
Cos'è la fusione termonucleare e come può essere applicata sulla Terra?
Tutti gli attuali reattori nucleari funzionano conusando la fissione nucleare, il processo di scissione degli atomi per produrre energia. Per anni, gli scienziati si sono chiesti come possiamo usare il processo inverso - la fusione nucleare, che "alimenta" il sole collegando gli atomi insieme - per soddisfare le crescenti esigenze energetiche sulla Terra. La stessa fusione termonucleare è un processo super potente, molte volte più potente della fissione e non porta alla formazione di scorie nucleari, poiché il suo combustibile non è uranio o plutonio, ma idrogeno. Infatti, se lo sviluppo di un reattore termonucleare avrà successo, gli scienziati creeranno un "mini-sole" sulla Terra.
"Realizzazione di reazioni termonucleari controllate,che consumano più energia di quella necessaria per generarli e sono visti commercialmente come una potenziale risposta al cambiamento climatico ", spiega Nathaniel Gronevold, corrispondente scientifico per Scientific American. “L'energia da fusione eliminerà la necessità di combustibili fossili e risolverà i problemi di discontinuità e affidabilità inerenti alle energie rinnovabili. L'energia verrà generata senza la pericolosa quantità di radiazioni che solleva preoccupazioni sull'energia di fissione nucleare ".
Funzionari dell'International ThermonuclearExperimental Reactor (ITER), un progetto multinazionale con sede nel sud della Francia, ha annunciato di essere a soli 6,5 anni da First Plasma, una pietra miliare storica. Il progetto ITER, supportato da un consorzio di 35 paesi, è ora completo al 65%, secondo un comunicato stampa di questa settimana. La sezione appena installata - la base del criostato e il cilindro inferiore - apre la strada all'installazione del tokamak, la struttura tecnologica scelta per ospitare il potente campo magnetico che circonderebbe il nucleo di fusione del plasma surriscaldato.
Problemi di fusione nucleare
La fusione nucleare è così difficile da realizzare a causa dicondizioni estreme - per esempio, nel nucleo del Sole - che devono essere riprodotte qui sulla Terra. Come spiegato nel Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, "le reazioni termonucleari sono studiate dagli scienziati, ma sono difficili da mantenere per lunghi periodi di tempo a causa dell'enorme pressione e temperatura richieste per fondere i nuclei".
L’energia da fusione richiede contenimentoplasma molto caldo ad alta pressione. Il confinamento magnetico del plasma molto caldo, molte volte più caldo del centro del Sole, richiede forti campi magnetici. Devono essere 10 volte la pressione atmosferica sulla superficie terrestre. La forza del campo magnetico è un parametro fondamentale per raggiungere queste condizioni, poiché fornisce sia l'isolamento per mantenere il plasma caldo sia la pressione esterna per mantenerlo stabile, il tutto senza contatto fisico tra il plasma e la superficie del materiale.
Sebbene la fusione nucleare producaincredibili prospettive per risolvere alcuni dei problemi più difficili del mondo moderno, il tempo stringe e molti esperti affermano che, anche se la fusione è proprio dietro l’angolo, il tempo non è dalla nostra parte. Anche se si spera che ITER venga lanciato entro il 2025 e pienamente operativo entro il 2035 circa, questo potrebbe essere troppo tardi. Già nel 2019, gli esperti climatici sostenevano che il termine di 12 anni concesso dal Gruppo intergovernativo al mondo per invertire la mutevole situazione del pianeta avrebbe potuto essere ridotto a 18 mesi. Hans Joachim Schellnhuber del Potsdam Climate Institute lo ha spiegato così un anno fa: “La matematica del clima è cristallina: anche se il mondo potrebbe non essere guarito nei prossimi anni, potrebbe essere ferito a morte dalla negligenza prima del 2020”.
Tuttavia, questa settimana le speranze di energia pulita si sono riaccese.
Progetto SPARC
Scienziati che sviluppano una versione compattaIn una serie di articoli di ricerca è stato dimostrato che un reattore a fusione nucleare funziona, ravvivando le speranze che l'obiettivo a lungo sfuggente di imitare la produzione di energia solare possa essere raggiunto e, in definitiva, contribuire alla lotta contro il cambiamento climatico.
Centro per la ricerca sul plasma e termonuclearesintesi del Massachusetts Institute of Technology in collaborazione con la startup privata Commonwealth Fusion Systems (CFS) sta sviluppando un progetto concettuale SPARC. Questo è un esperimento compatto ad alta tensione con pura energia termonucleare. Si prevede che lo SPARC avrà le dimensioni dei dispositivi di fusione di fascia media esistenti, ma con un campo magnetico molto più forte. Sulla base delle leggi della fisica, gli scienziati sperano che il dispositivo produca 50-100 MW di energia termonucleare. Un simile esperimento sarà la prima dimostrazione della creazione di energia pulita e della possibilità di creare un dispositivo costruito utilizzando la nuova tecnologia dei superconduttori. SPARC fa parte di una strategia globale per accelerare lo sviluppo della fusione attraverso l'uso di nuovi magneti superconduttori (HTSC) ad alto campo e ad alta temperatura.
La centrale a fusione Sparc sarà relativamente piccola, come mostrato in questa immagine della camera di reazione.
T. Henderson / CFS / MIT-PSFC
Tempo di costruzione
Si prevede che la costruzione del reattore sottoIl nome SPARC, che è stato sviluppato dai ricercatori del Massachusetts Institute of Technology e una sussidiaria di Commonwealth Fusion Systems, inizierà la prossima primavera e richiederà tre o quattro anni, hanno detto ricercatori e funzionari dell'azienda.
Sebbene ci siano ancora molti problemi seri,la società ha affermato che la costruzione sarà seguita da prove e, in caso di successo, da una centrale elettrica che potrebbe utilizzare l'energia di fusione per generare elettricità a partire dal prossimo decennio.
Questo programma ambizioso è molto più veloce diil più grande progetto mondiale sull'energia da fusione, un progetto multinazionale nel sud della Francia chiamato ITER. Questo reattore è in costruzione dal 2013 e, sebbene non sia progettato per generare elettricità, si prevede che produrrà reazioni di fusione entro il 2035.
Bob Mumgaard, CEO del CommonwealthFusion, e uno dei fondatori dell'azienda, ha affermato che l'obiettivo del progetto SPARC è sviluppare la fusione in tempo per svolgere un ruolo nella mitigazione degli effetti del riscaldamento globale. "Il nostro obiettivo è ottenere l'energia termonucleare il più rapidamente possibile", ha detto.
Fusione termonucleare, in cui gli atomi leggeririunirsi a temperature di decine di milioni di gradi per rilasciare energia è diventato un modo per il mondo di far fronte agli impatti dei cambiamenti climatici derivanti dalla produzione di elettricità.
Come una centrale nucleare convenzionale a fissione, che divide gli atomi, una centrale a fusione non brucerà combustibili fossili e non produrrà emissioni di gas serra.
Critica del progetto
Nonostante le ambizioni del progetto, ostacoli sulla stradala creazione di una macchina in grado di creare plasma termonucleare e controllare una vorticosa nube di atomi surriscaldata che danneggia o distrugge tutto ciò che tocca è enorme.
Alcuni scienziati che hanno lavorato sull'energia termonucleare per decenni affermano che, sebbene siano entusiasti delle prospettive di Sparc, la cronologia potrebbe essere semplicemente irrealistica.
“Leggere questi documenti (articoli di ricerca- ca. ed.) mi dà la sensazione che gli sviluppatori avranno il plasma termonucleare termonucleare controllato che tutti noi sogniamo ", ha detto Carey Forest, un fisico dell'Università del Wisconsin che non è coinvolto nel progetto. Tuttavia, non è sicuro che la tempistica del progetto sia realistica.
Secondo il dottor Mumgaard, SPARC sarà moltopiù piccolo di un ITER - le dimensioni di un campo da tennis, rispetto a un campo da calcio - e molto più economico di un progetto internazionale, che, secondo le stime ufficiali, costerà circa 22 miliardi di dollari, ma questa cifra non è il limite. Commonwealth Fusion, fondata nel 2018 e con circa 100 dipendenti, ha raccolto fino ad oggi 200 milioni di dollari per il suo progetto.
Differenze tra Sparc e ITER
Da quando iniziarono quasi un secolo faesperimenti di fusione, la prospettiva di creare un pratico dispositivo di fusione in grado di produrre più energia di quanta ne utilizza è rimasta sfuggente.
Ma, secondo i risultati degli scienziati pubblicati su The Journal of Plasma Physics, il progetto SPARC avrà successo e produrrà 10 volte più energia di quanta ne consumerà.
La ricerca "conferma che il progetto lo èquello per cui lavoriamo è probabile che funzioni ", ha affermato Martin Greenwald, vicedirettore del MIT Center for Plasma Research and Fusion e uno dei principali scienziati del progetto. Il dottor Greenwald è il fondatore di Commonwealth Fusion, ma attualmente non è affiliato con l'azienda.
SPARC utilizza lo stesso tipo di dispositivo diITER: un tokamak, o camera a forma di ciambella all'interno della quale avviene una reazione di fusione. Poiché la nuvola di plasma è così calda - più calda del Sole - deve essere trattenuta da forze magnetiche.
ITER lo fa utilizzando enormi bobine elettromagnetiche contenenti fili superconduttori che devono essere raffreddati con elio liquido.
Modello del reattore a fusione ITER (sezione trasversale)
CC BY-SA 2.0 fr
Secondo Greenwald, SPARC utilizzai vantaggi di una nuova tecnologia elettromagnetica che utilizza i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, che possono creare un campo magnetico molto più forte. Di conseguenza, il plasma è molto più piccolo.
I documenti mostrano che “questo percorso con altiil campo sembra ancora praticabile ", ha detto il dottor Greenwald. "Se riusciamo a superare le sfide ingegneristiche, questa macchina funzionerà come previsto".
Commonwealth Fusion ha detto che annuncerà la posizione della SPARC tra pochi mesi.
Chi altro sta lavorando all'energia termonucleare e c'è qualche speranza?
Commonwealth Fusion è solo uno dei tantiaziende che lavorano allo sviluppo e alla commercializzazione dell'energia da fusione in partnership con istituti di ricerca, sostenute da centinaia di milioni di dollari di investimenti.
Ad esempio, TAE Technologies, basatanel sud della California sta lavorando a un progetto che utilizza un dispositivo lineare che spara due nubi di plasma l'una contro l'altra per produrre la fusione nucleare.
First Light Fusion, una controllata dell'Università di Oxford in Inghilterra, utilizza l'energia per comprimere e comprimere il combustibile termonucleare.
Il dottor Forest ha detto:Utilizzando campi magnetici più forti, si può dire che SPARC sia più "conservatore". “Ciò la distingue completamente da tutte le startup, che per definizione sono più rischioso”, sottolinea.
William Dorland, fisico presso l'Università del Maryland el'editore del The Journal of Plasma Physics, ha detto che il giornale aveva chiesto ai rappresentanti di alcuni di questi progetti di fusione di "parlare della loro fisica". Il MIT e il gruppo Commonwealth Fusion hanno accettato rapidamente, ha detto.
"Dal mio punto di vista, questo è il primo di questi gruppi,che ha denaro privato, il che in realtà è molto chiaro su ciò che stanno facendo ", ha detto il dottor Dorland. - Le persone ragionevoli non sono d'accordo sul fatto che funzioni. Ma sono solo felice che si siano fatti avanti e ci dicano, usando la scienza normale, cosa sta succedendo ", conclude.
Alla fine, da quali conseguenze aspettarsisviluppare un reattore a fusione? Se i processi tecnologici vengono messi a punto e controllati, salverà l'umanità. L'energia pulita dalla fusione degli atomi invece di fissarli proteggerà almeno il pianeta dalle scorie nucleari.
Qual è la linea di fondo?
Nonostante tutto il pericolo e la complessità dei progetti in corsosviluppo della fusione termonucleare, non sembra che l’umanità abbia alternative. Le capacità del pianeta sono limitate, a differenza dei bisogni umani. Se SPARC, ITER o qualsiasi startup manterranno le loro promesse, il tempo lo dirà.
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