Cos'è la fusione nucleare?
La fusione nucleare (in questo caso parliamo di fusione termonucleare) è la reazione
Secondo l'astrofisico modernonozioni, la principale fonte di energia del Sole e di altre stelle è la fusione termonucleare che avviene nelle loro profondità. In condizioni terrestri, viene eseguito con l'esplosione di una bomba all'idrogeno. La fusione termonucleare è accompagnata da un colossale rilascio di energia per unità di massa di sostanze reagenti (circa 10 milioni di volte in più rispetto alle reazioni chimiche). Pertanto, è di grande interesse padroneggiare questo processo e, sulla base, creare una fonte di energia economica ed ecologica. Tuttavia, nonostante il fatto che grandi team scientifici e tecnici in molti paesi sviluppati siano impegnati nella ricerca sulla fusione termonucleare controllata (CTF), ci sono ancora molti problemi complessi da risolvere prima che la produzione industriale di energia termonucleare diventi una realtà.
Moderne centrali nucleari che utilizzano il processodivisioni, soddisfano solo parzialmente il fabbisogno elettrico mondiale. Il combustibile per loro sono gli elementi radioattivi naturali uranio e torio, la cui abbondanza e riserve in natura sono molto limitate; pertanto, molti paesi affrontano il problema della loro importazione. Il componente principale del combustibile termonucleare è l'isotopo dell'idrogeno deuterio, che si trova nell'acqua di mare. Le sue riserve sono pubblicamente disponibili e molto grandi (gli oceani coprono circa il 71% della superficie terrestre e il deuterio rappresenta circa lo 0,016% del numero totale di atomi di idrogeno che compongono l'acqua).
Oltre alla disponibilità di combustibile, le fonti di energia termonucleare presentano i seguenti importanti vantaggi rispetto alle centrali nucleari:
- il reattore CTS contiene molto meno materiali radioattivi di un reattore nucleare a fissione, e quindi le conseguenze di un rilascio accidentale di prodotti radioattivi sono meno pericolose;
- le reazioni termonucleari generano scorie radioattive meno longeve;
- TCB consente la generazione diretta di elettricità.
Il successo dell'implementazione della reazione di fusione dipende dalle proprietà dei nuclei atomici utilizzati e dalla possibilità di ottenere un plasma denso ad alta temperatura, necessario per avviare la reazione.
Come viene rilasciata l'energia durante la fusione?
Il rilascio di energia durante la fusione nucleare è dovuto aforze di attrazione estremamente intense che agiscono all'interno del nucleo; queste forze tengono insieme i protoni e i neutroni che compongono il nucleo. Sono molto intensi e decadono molto rapidamente con la distanza. Oltre a queste forze, i protoni caricati positivamente creano forze repulsive elettrostatiche. Il raggio d'azione delle forze elettrostatiche è molto maggiore di quello delle forze nucleari, quindi iniziano a prevalere quando i nuclei vengono rimossi l'uno dall'altro.
In condizioni normali, l'energia cinetica dei nucleigli atomi di luce sono troppo piccoli per vincere la repulsione elettrostatica, potrebbero avvicinarsi ed entrare in una reazione nucleare. Tuttavia, la repulsione può essere superata dalla forza "bruta", ad esempio, facendo collidere nuclei con velocità relativa elevata.
Perché gli scienziati stanno facendo la fusione nucleare?
Ricercatori che sviluppano termonucleariun reattore in grado di generare più energia di quanta ne consuma ha dimostrato in una serie di lavori recenti che i loro progetti devono funzionare, ripristinando l'ottimismo sul fatto che questa fonte di energia pulita e illimitata aiuterà ad alleviare la crisi climatica.
Un gruppo di ricercatori del MassachusettsInstitute of Technology (MIT) e altri istituti dichiarano che il reattore a fusione compatto SPARC funzionerà nella realtà. Almeno in teoria, come affermano in una serie di studi pubblicati di recente.
Il team sottolinea che durante le fasi di progettazione nnon sono stati trovati ostacoli o sorprese inaspettati. Questo è affermato in sette articoli scritti da 47 ricercatori di 12 diverse istituzioni scientifiche.
Anche se il nuovo reattore è ancora in costruzioneNelle sue prime fasi di sviluppo, gli scienziati sperano che possa iniziare a produrre elettricità entro la fine del decennio. Martin Greenwald, uno degli scienziati senior del progetto, ha dichiarato al Guardian che una motivazione chiave per l’ambiziosa tempistica è soddisfare il fabbisogno energetico in un clima in fase di riscaldamento. “La fusione sembra essere una delle possibili soluzioni per uscire dall’incombente catastrofe climatica”, ha affermato.
Qual è il problema con la fusione e come può aiutare il pianeta?
Fusione nucleare, un processo fisico chealimentare il nostro sole si verifica quando gli atomi si scontrano tra loro a temperature e pressioni estremamente elevate, provocando il rilascio di enormi quantità di energia fondendosi con atomi più pesanti.
Da quando è stato scoperto per la prima voltaNell’ultimo secolo, gli scienziati hanno cercato di sfruttare la fusione nucleare, una forma di energia estremamente densa il cui combustibile – gli isotopi dell’idrogeno – è abbondante e reintegrato. Inoltre, la fusione nucleare non produce gas serra né carbonio e, a differenza dei reattori nucleari a fissione, non comporta il rischio di fusione.
Tuttavia, l'uso di questa forma di energia nuclearesi è rivelato estremamente difficile perché richiedeva il riscaldamento della "zuppa di particelle subatomiche" - il plasma - a centinaia di milioni di gradi - troppo caldi per essere maneggiati da qualsiasi contenitore. Per aggirare questo problema, gli scienziati hanno sviluppato una camera a forma di ciambella attraversata da un forte campo magnetico, chiamata tokamak, che mantiene il plasma in posizione.
Cosa si sta già sviluppando?
Scienziati del Massachusetts Institute of Technologye la controllata Commonwealth Fusion Systems hanno iniziato a progettare un nuovo reattore, più compatto dei suoi predecessori, all'inizio del 2018, la cui costruzione inizierà nella prima metà del prossimo anno. Se il loro programma va secondo i piani, un reattore chiamato Sparc potrebbe produrre elettricità per la rete entro il 2030, secondo ricercatori e funzionari dell'azienda. Questo sarà molto più veloce delle principali iniziative esistenti sull'energia da fusione.
Gli attuali progetti di reattori sono troppo grandie strade per generare effettivamente elettricità per i consumatori. Utilizzando magneti all'avanguardia e ultra potenti, il team del MIT e del Commonwealth Fusion spera di creare un reattore tokamak compatto, efficiente e scalabile. "Ciò che abbiamo realmente fatto è combinare la scienza esistente con nuovo materiale per aprire enormi nuove possibilità", ha affermato Greenwald.
Dopo aver dimostrato che il dispositivo Sparcteoricamente potrebbe produrre più energia di quella necessaria per il funzionamento, in documenti di ricerca pubblicati a settembre, il passo successivo è costruire un reattore e quindi un impianto pilota che genererà elettricità sulla rete.
Tutti i pro e i contro della fusione nucleare
Scienziati e imprenditori lo promettono da tempoLa fusione termonucleare è dietro l'angolo, ma deve affrontare problemi insormontabili. Ciò ha causato riluttanza a investire in essa, soprattutto perché l'eolico, il solare e altre fonti di energia rinnovabile, sebbene meno potenti della fusione, sono diventate più efficienti ed economiche.
Ma la situazione sta cambiando.Nel piano da 2 trilioni di dollari di Biden, ha definito la tecnologia nucleare avanzata parte di una strategia di decarbonizzazione. I democratici hanno sostenuto l'energia nucleare per la prima volta dal 1972. Investimenti significativi provengono anche da fonti private, comprese alcune grandi compagnie petrolifere e del gas, che vedono la fusione come un punto d'appoggio a lungo termine migliore rispetto a vento e sole.
Secondo Bob Mumgaard, dirigenteDirettore del Commonwealth Fusion, l’obiettivo non è utilizzare la fusione per sostituire l’energia solare ed eolica, ma per integrarle. “Ci sono cose che saranno difficili da realizzare con le sole energie rinnovabili, su scala industriale, come alimentare le grandi città o il settore manifatturiero”, ha affermato. “È qui che la sintesi può tornare utile”.
La comunità del plasma nel suo insieme è entusiasta dei progressi di Sparc, anche se alcuni hanno messo in dubbio l'ambiziosa tempistica data gli ostacoli tecnici e normativi.
Daniel Jessby, 25 anni di ricerca scientificaun collaboratore del Princeton Laboratory of Plasma Physics, è scettico sul fatto che un reattore a fusione come lo SPARC possa mai diventare una possibile fonte di energia alternativa. Il trizio, uno degli isotopi dell'idrogeno che Sparc utilizzerà come combustibile, non si trova in natura e deve essere prodotto, ha detto.
Squadra tecnologica del MassachusettsL'istituto presume che questa sostanza sarà continuamente rigenerata dalla reazione di sintesi stessa. Ma Jessby ritiene che ciò richiederà un'enorme quantità di elettricità, rendendo il reattore estremamente costoso. "Quando si pensa che otteniamo energia solare ed eolica gratuitamente, sarebbe sciocco fare affidamento su una reazione di fusione", conclude.
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