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Fusione nucleare: abbiamo bisogno di materiali migliori

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La fusione nucleare è il processo che alimenta il Sole e tutte le altre stelle. Durante la fusione, i nuclei di due atomi vengono avvicinati abbastanza da fondersi insieme, rilasciando enormi quantità di energia.

Replicare questo processo sulla Terra potrebbe potenzialmente fornire elettricità quasi illimitata con emissioni di carbonio praticamente pari a zero e maggiore sicurezza, e senza lo stesso livello di scorie nucleari della fissione.

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Ma costruire quella che è essenzialmente una mini stella sulla Terra e tenerla insieme all’interno di un reattore di fusione nucleare non è un compito facile. Richiede temperature e pressioni immense e campi magnetici estremamente forti.

Al momento non abbiamo materiali in grado di resistere a queste forze estreme.

Tokamaks

Esistono molti modi per contenere le reazioni di fusione nucleare sulla Terra, ma il più comune utilizza un dispositivo a forma di ciambella chiamato tokamak. All’interno del tokamak, i combustibili per la reazione – isotopi dell’idrogeno chiamati deuterio e trizio – vengono riscaldati fino a diventare un plasma

Un plasma è quando gli elettroni negli atomi hanno energia sufficiente per sfuggire ai nuclei e iniziare a fluttuare. Poiché è costituito da particelle caricate elettricamente, a differenza di un normale gas, può essere contenuto in un campo magnetico. Ciò significa che non tocca i lati del reattore, ma galleggia al centro della ciambella.

Quando il deuterio e il trizio hanno abbastanza energia si fondono insieme, creando elio, neutroni e rilasciando energia. Il plasma deve raggiungere temperature di 100 milioni di gradi Celsius perché avvenga una grande quantità di fusione, dieci volte più calda del centro del Sole. Deve essere molto più caldo perché il Sole ha una densità di particelle molto più alta.

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Sebbene sia contenuto principalmente all’interno di un campo magnetico, il reattore deve comunque resistere a temperature che nella fusione nucleare sono enormi. in Iter, il più grande esperimento di fusione del mondo, che dovrebbe essere costruito entro il 2035, la parte più calda della macchina raggiungerebbe circa 1.300℃.

Mentre il plasma resta per lo più contenuto in un campo magnetico, ci sono momenti in cui il plasma potrebbe entrare in collisione con le pareti del reattore. Ciò può provocare erosione delle pareti e la modifica delle proprietà del materiale.

Oltre alle temperature estreme, dobbiamo anche considerare i sottoprodotti della reazione di fusione del deuterio e del trizio, come i neutroni ad altissima energia. I neutroni non hanno carica, quindi non possono essere contenuti dal campo magnetico. Ciò significa che colpiscono le pareti del reattore, alla lunga provocando danni.

Le scoperte

Tutte queste sfide incredibilmente complesse hanno contribuito a enormi progressi nei materiali nel corso degli anni. Uno dei più importanti sono stati i magneti superconduttori ad alta temperatura, che vengono utilizzati da vari progetti di fusione nucleare. Questi si comportano come superconduttori a temperature inferiori al punto di ebollizione dell’azoto liquido. Anche se sembra molto freddo, è alto rispetto alle temperature molto più fredde di cui hanno bisogno altri superconduttori.

Nella fusione, questi magneti sono a pochi metri dalle alte temperature all’interno del tokamak, creando un gradiente di temperatura enormemente grande. Questi magneti hanno il potenziale per generare campi magnetici molto più forti rispetto ai superconduttori convenzionali, che possono ridurre drasticamente le dimensioni di un reattore a fusione e possono accelerare lo sviluppo della fusione commerciale.

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Abbiamo alcuni materiali progettati per far fronte alle varie sfide che lanciamo loro in un reattore a fusione. I primi al momento sono gli acciai ad attivazione ridotta, che hanno una composizione alterata rispetto agli acciai tradizionali in modo che i livelli di attivazione da danno neutronico siano ridotti, e il tungsteno.

Una delle cose più interessanti della scienza è che qualcosa inizialmente visto come un potenziale problema può trasformarsi in qualcosa di positivo. La fusione non fa eccezione a questo, e un esempio molto di nicchia ma degno di nota è il caso del fuzz di tungsteno

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Fuzz è una nanostruttura che si forma sul tungsteno se esposto al plasma di elio durante gli esperimenti di fusione. Inizialmente considerato un potenziale problema a causa dei timori di erosione, ora la ricerca s’è spostata sulle applicazioni non di fusione, inclusa la scissione dell’acqua in idrogeno ed ossigeno.

Tuttavia, nessun materiale è perfetto e ognuno ha i suoi problemi. Questi includono la produzione di materiali ad attivazione ridotta su larga scala e la fragilità intrinseca del tungsteno, che rende difficile lavorare con esso. Dobbiamo migliorare e perfezionare i materiali esistenti che abbiamo.

Le sfide

Nonostante gli enormi progressi nel campo dei materiali legati alla fusione, c’è ancora molto lavoro da fare. Il problema principale è che ci affidiamo a diversi esperimenti per ricreare le potenziali condizioni del reattore e dobbiamo provare a mettere insieme questi dati, spesso utilizzando campioni molto piccoli. 

Il lavoro di modellazione dettagliato aiuta a estrapolare le previsioni delle prestazioni dei materiali. Sarebbe molto meglio se potessimo testare i nostri materiali in situazioni reali.

La pandemia ha avuto un impatto importante sulla ricerca sui materiali perché è stato più difficile condurre esperimenti pratici. È davvero importante continuare a sviluppare e utilizzare modelli avanzati per prevedere le prestazioni dei materiali. 

Questo può essere combinato con i progressi nell’apprendimento automatico, per identificare gli esperimenti chiave su cui dobbiamo concentrarci e identificare i migliori materiali per il lavoro nei futuri reattori.

La produzione di nuovi materiali avviene tipicamente in piccoli lotti, concentrandosi solo sulla produzione di materiali sufficienti per gli esperimenti. Andando avanti, più aziende continueranno a lavorare sulla fusione e ci saranno più programmi che lavoreranno su reattori sperimentali o prototipi.

Per questo motivo, stiamo arrivando alla fase in cui dobbiamo pensare di più all’industrializzazione e allo sviluppo delle catene di approvvigionamento. Man mano che ci avvicineremo ai prototipi di reattori e, si spera, centrali elettriche del futuro, lo sviluppo di robuste catene di approvvigionamento su larga scala sarà una sfida enorme.

Scritto da Aneeqa Khan, Research Fellow in Fusion, University of Manchester.

Pubblicato originariamente su The Conversation

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