La fusione nucleare è una delle sfide più ambiziose e promettenti dell’umanità, si tratta di riprodurre sulla Terra il processo che alimenta il Sole e le stelle, sfruttando l’energia liberata dalla fusione di atomi di idrogeno, e se riuscissimo a controllare e sostenere questo processo, potremmo disporre di una fonte di energia pulita, sicura e illimitata.
Tuttavia, la fusione nucleare richiede condizioni estreme di temperatura e pressione, che sono difficili da creare e mantenere in laboratorio, per questo motivo, gli scienziati di tutto il mondo stanno lavorando a diversi progetti e esperimenti per avvicinarsi sempre di più al sogno della fusione.
Questa settimana, due importanti risultati sono stati annunciati nel campo della fusione nucleare, il primo riguarda il progetto americano Inertial Fusion, che ha raggiunto per la prima volta un bilancio energetico positivo, cioè ha ottenuto più energia dalla fusione di quanta ne abbia usata per innescarla, il secondo riguarda il progetto europeo JET, che ha stabilito un nuovo record di produzione di energia con la fusione nucleare.
Il record di energia del JET
Il JET (Joint European Torus) è il più grande e potente reattore a fusione nucleare al mondo, situato nel Regno Unito; questo reattore è un tokamak, cioè una camera a forma di ciambella in cui viene confinato un plasma di idrogeno da potenti magneti. Il plasma viene riscaldato a oltre 100 milioni di gradi, la temperatura necessaria per innescare la fusione tra gli atomi di idrogeno.
Il JET è stato il primo reattore a fusione a usare una miscela di due isotopi di idrogeno, il deuterio e il trizio, che sono i più adatti per la fusione nucleare, tra l’altro questa miscela verrà impiegata anche nelle future centrali a fusione nucleare, come ITER e DEMO.
L’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) è il prossimo grande progetto di fusione nucleare, in costruzione in Francia. Si tratta di un tokamak molto più grande e potente del JET, che dovrebbe entrare in funzione nel 2025 e dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione nucleare. ITER dovrebbe generare 10 volte l’energia immessa, con una potenza di 500 megawatt.
DEMO (DEMOnstration Power Plant) è il successore di ITER, che dovrebbe essere costruito entro il 2050 e diventare la prima centrale elettrica a fusione nucleare al mondo. DEMO dovrebbe generare elettricità e 25 volte l’energia immessa, con una potenza di 2 gigawatt.
Il JET è un pioniere e un banco di prova per ITER e DEMO, e i suoi risultati sono fondamentali per lo sviluppo della fusione nucleare, e giusto questa settimana, il JET ha annunciato di aver raggiunto la più alta produzione di energia mai ottenuta con la fusione nucleare.
In un test effettuato il 6 febbraio, il JET è stato in grado di creare energia ad alta fusione per cinque secondi, rilasciando 69,26 megajoule di energia da soli 0,21 milligrammi di carburante, ciò equivale all’energia che puoi ottenere da 2 chilogrammi di carbone. Il JET ha anche dimostrato di poter gestire il calore e le esplosioni del plasma, e di poter smaltire l’elio prodotto dalla fusione, senza danneggiare le pareti del tokamak.
Questi risultati sono molto importanti, perché mostrano che la fusione nucleare è possibile e sicura, e che il JET è in grado di simulare le condizioni che si avranno in ITER e DEMO, tuttavia il JET non è ancora riuscito a raggiungere un bilancio energetico positivo, cioè a ottenere più energia dalla fusione di quanta ne usi per innescarla.
Il meglio che il JET ha fatto è stato nel 1997, quando ha ottenuto un fattore Q di 0,69, cioè ha prodotto il 69% dell’energia immessa, con il fattore Q che è il rapporto tra l’energia prodotta e l’energia immessa, e per avere un bilancio energetico positivo bisogna avere un fattore Q maggiore di uno.
L’unico esperimento che ha raggiunto questo risultato finora è stato il sistema Inertial Fusion negli Stati Uniti, che ha ottenuto una Q di 1,5, malgrado ciò la produzione di energia di JET è stata 20 volte superiore a quella ottenuta dalla fusione inerziale, che è stata di soli 3,4 megajoule.
La sfida della fusione nucleare
La fusione nucleare è una delle sfide più ambiziose e promettenti dell’umanità, ma anche una delle più difficili e complesse. Per realizzare la fusione nucleare, bisogna superare molti ostacoli scientifici e tecnologici, che richiedono anni di ricerca e investimenti.
La fusione nucleare è il processo che alimenta il Sole e le stelle, in cui due atomi di idrogeno si fondono insieme per formare un atomo di elio, liberando una grande quantità di energia, questa energia è data dalla differenza tra la massa degli atomi iniziali e quella dell’atomo finale, secondo la famosa formula di Einstein , dove è l’energia, è la massa e è la velocità della luce.
Per innescare la fusione nucleare, bisogna portare gli atomi di idrogeno a una temperatura e a una pressione molto elevate, in modo che i loro nuclei si avvicinino abbastanza da superare la repulsione elettrostatica e si uniscano sotto l’effetto della forza nucleare. Queste condizioni si trovano naturalmente al centro del Sole e delle stelle, dove la temperatura è di circa 15 milioni di gradi e la pressione è di circa 200 miliardi di atmosfere.
Sulla Terra, invece, non abbiamo queste condizioni, e dobbiamo ricrearle artificialmente in laboratorio, e per fare questo, ci sono due principali approcci: la fusione magnetica e la fusione inerziale.
La fusione magnetica consiste nel confinare un gas di idrogeno, chiamato plasma, in una camera a forma di ciambella, chiamata tokamak, usando dei potenti magneti. Il plasma viene riscaldato a oltre 100 milioni di gradi, usando delle microonde, dei laser o dei fasci di particelle, e a questa temperatura, gli atomi di idrogeno si fondono insieme, producendo energia e elio. Il JET, ITER e DEMO sono esempi di progetti di fusione magnetica.
La fusione inerziale consiste nel comprimere una piccola capsula di idrogeno, chiamata bersaglio, usando dei laser o dei raggi X. Il bersaglio viene riscaldato e compresso a tal punto da innescare la fusione nucleare al suo interno, producendo energia e elio, in questo caso, il National Ignition Facility (NIF) negli Stati Uniti e il Laser Mégajoule (LMJ) in Francia sono esempi di progetti di fusione inerziale.
Entrambi gli approcci hanno i loro vantaggi e svantaggi, e sono ancora in fase sperimentale. La sfida principale è quella di raggiungere un bilancio energetico positivo, cioè di ottenere più energia dalla fusione di quanta ne si usi per innescarla. Finora, solo il NIF è riuscito a fare questo, ma con una produzione di energia molto bassa, mentre il JET ha ottenuto una produzione di energia molto più alta, ma con un bilancio energetico negativo.
Per avere una centrale elettrica a fusione nucleare, bisogna avere un fattore Q maggiore di uno, e per avere una centrale elettrica a fusione nucleare efficiente, bisogna avere un fattore Q di almeno 10.
I vantaggi della fusione nucleare
Se riuscissimo a realizzare la fusione nucleare, avremmo molti vantaggi rispetto alle altre fonti di energia. Vediamone alcuni:
- è una fonte di energia pulita, che non produce gas serra, inquinanti o scorie radioattive. L’unico sottoprodotto della fusione è l’elio, che è un gas inerte e innocuo, inoltre la fusione nucleare contribuirebbe quindi a contrastare il cambiamento climatico e a proteggere l’ambiente;
- è una fonte di energia sicura, che non comporta il rischio di incidenti nucleari, come quelli di Chernobyl o Fukushima (che sebbene gravi, sono da attribuire, rispettivamente, ad una leggerezza umana, e un mix tra un terremoto di magnitudo 9, e uno tsunami). Il processo di fusione è infatti auto-regolante e si spegne automaticamente se le condizioni non sono ottimali, oltre a ciò il combustibile usato per la fusione è presente in piccole quantità e non può essere usato per scopi militari o terroristici;
- è una fonte di energia illimitata, che non dipende da risorse fossili o rinnovabili. Il combustibile usato per la fusione è l’idrogeno, che è l’elemento più abbondante nell’universo e che si può estrarre dall’acqua. La fusione nucleare garantirebbe quindi una fornitura di energia costante e indipendente da fattori geopolitici o climatici;
- è una fonte di energia economica, che potrebbe ridurre i costi e aumentare la competitività dell’industria elettrica. Il costo del combustibile per la fusione è molto basso, e il costo di costruzione e manutenzione dei reattori a fusione sarebbe compensato dalla loro elevata efficienza e durata, la fusione nucleare potrebbe quindi portare a una riduzione delle bollette elettriche e a una maggiore accessibilità all’energia.
La fusione nucleare è ancora una sfida lontana, ma non impossibile. Gli scienziati stanno lavorando con impegno e dedizione per realizzare questo obiettivo, che potrebbe cambiare il mondo. La fusione nucleare è una speranza per il futuro, che merita il nostro sostegno e la nostra attenzione.
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