La fusione nucleare, il processo di generazione di energia combinando due nuclei atomici per formarne uno più pesante, è stata a lungo pubblicizzata come l’energia del futuro. Soprannominata il “potere delle stelle”, l’energia da fusione offre energia pulita, sicura e praticamente illimitata.
Rendere la fusione nucleare commerciale una realtà
Ad oggi, realizzare la fusione sulla Terra è stato notoriamente difficile date le sfide legate al confinamento del plasma rovente. Secondo gli scienziati, i tokamak sono uno dei modi più promettenti per ottenere la fusione nucleare controllata. Questi dispositivi sfruttano i campi magnetici per confinare il plasma caldo a forma di ciambella.
Tokamak Energy, con sede a Oxford, ha rivelato che sta sviluppando una nuova tecnologia di misurazione laser. Secondo l’azienda, questa tecnologia trasformerà le future centrali elettriche a fusione nucleare e la fornitura di energia pulita alla rete controllando le condizioni estreme all’interno delle centrali elettriche.
All’interno delle camere a vuoto a forma di ciambella dei tokamak, dove avvengono le reazioni di fusione, la temperatura del plasma sale a oltre 100 milioni di gradi Celsius. Stabilizzare questo plasma in fiamme è vitale per mantenere le condizioni di fusione.
Il nuovo sistema interferometro a dispersione basato su laser di Tokamak Energy misurerà la densità del combustibile idrogeno all’interno del plasma. L’azienda ritiene che questa tecnologia all’avanguardia aiuterà a sostenere le reazioni di fusione e a fornire energia affidabile alla rete.
“Misurare la densità del plasma è fondamentale per comprendere e controllare il combustibile di fusione e l’efficienza delle future operazioni delle centrali elettriche“, ha affermato il dottor Tadas Pyragius di Tokamak Energy: “Un raggio laser sparato attraverso il plasma interagisce con gli elettroni e ci dice la densità del carburante”. Conoscere la densità è essenziale per sostenere le condizioni di fusione e fornire energia sicura e affidabile alla rete.
“Le condizioni estreme create dal processo di fusione implicano che dobbiamo perfezionare ora la tecnologia diagnostica basata sul laser per portare avanti la nostra missione di fornire energia di fusione pulita, sicura e conveniente negli anni ’30”, ha aggiunto il fisico del plasma.
Nuove tecnologie a supporto della fusione nucleare
Tokamak Energy sta attualmente testando il nuovo sistema interferometro a dispersione laser presso la sua sede di Oxford. In una dichiarazione, la società ha rivelato che il sistema interferometro sarà installato sulla sua macchina di fusione nucleare ST40 entro la fine del 2024.
La ST40 ha battuto i record diventando la prima macchina di fusione nucleare di proprietà privata a raggiungere una temperatura degli ioni del plasma di 100 milioni di gradi Celsius. Inoltre, l’ST40 vanta anche il triplo prodotto più alto raggiunto da un’azienda privata.
Il triplo prodotto è una misura che dipende dalla densità del plasma, dalla temperatura e dal confinamento, parametri cruciali per la fattibilità della fusione nucleare su scala commerciale.
Dopo i risultati da record raggiunti nel 2022, l’ST40 è stato sottoposto a una serie di aggiornamenti hardware, tra cui nuovi alimentatori e sistemi diagnostici. Nel 2023, la società ha spostato la sua attenzione verso il perfezionamento degli scenari del plasma in un tokamak sferico ad alto campo per comprendere meglio la loro comprensione del processo di fusione.
Tokamak Energy ha inoltre rivelato di aver commissionato un sistema diagnostico laser a diffusione Thomson sull’ST40 per fornire letture dettagliate della temperatura e della densità del plasma.
Anche se l’ST40 tornerà in funzione solo in attesa di ulteriori aggiornamenti e manutenzioni, la società spera di raggiungere la fornitura commerciale di energia da fusione negli anni ’30.
I reattori Tokamak e come influenzano la fusione nucleare
L’energia nucleare tradizionale funziona attraverso il processo di fissione nucleare, che comporta la scissione di un nucleo pesante e instabile in due nuclei più leggeri. L’energia rilasciata attraverso questo processo genera calore per far bollire l’acqua in vapore pressurizzato, che viene poi utilizzato per far girare le turbine che generano elettricità. Sebbene questo processo possa sembrare altamente inefficiente, in realtà è molto più efficiente di altre fonti di energia.
Oltre alla questione delle scorie nucleari, anche l’energia nucleare tradizionale ha ampi margini di miglioramento. Nello specifico, il processo di fissione lascia sul tavolo molta energia atomica. Se invece l’energia nucleare dovesse generare energia attraverso la fusione nucleare, si potrebbe produrre molta più energia.
Mentre la fissione funziona dividendo gli atomi, la fusione nucleare è il processo in cui due nuclei leggeri si combinano insieme. Questo rilascia grandi quantità di energia: questo è il processo che alimenta il sole. La fusione nucleare non solo crea meno materiale radioattivo della fissione, ma richiede molto meno materiale per cominciare e offre una fornitura di carburante quasi illimitata.
Allora perché non usiamo la fusione nucleare per alimentare il nostro mondo oggi? Perché gli scienziati hanno avuto davvero difficoltà a sostenere e controllare le reazioni di fusione nucleare.
Una delle tecnologie più importanti per la fusione nucleare è il reattore Tokamak, un dispositivo di contenimento magnetico a forma di ciambella progettato per sfruttare l’energia di fusione.
Sebbene il design del tokamak sia stato originariamente sviluppato negli anni ’60, ci sono voluti più di 50 anni perché la tecnologia si sviluppasse abbastanza da poter essere considerata per un uso pratico. Il fisico russo Oleg Lavrentiev ideò per primo il progetto, che fu successivamente sviluppato da Igor Tamm e Andrei Sakharov.
Oggi è uno dei diversi tipi di dispositivi di confinamento magnetico in fase di sviluppo per produrre energia da fusione termonucleare controllata e attualmente è il principale candidato per un pratico reattore a fusione.
Il cuore di un tokamak è la sua camera a vuoto a forma di ciambella. All’interno della camera, l’idrogeno gassoso viene posto sotto calore e pressione estremi, trasformandosi in un plasma, un gas caldo e carico elettricamente.
Le particelle cariche del plasma possono essere controllate da enormi bobine magnetiche posizionate attorno alla camera. “Tokamak” è un acronimo russo che sta per “camera toroidale con bobine magnetiche”. Il controllo è necessario per mantenere il plasma lontano dalle pareti della camera: il contatto tra il plasma caricato elettricamente e le pareti del reattore potrebbe provocare un crollo quasi istantaneo.
Una potente corrente elettrica viene fatta circolare attraverso il recipiente e l’idrogeno gassoso viene ionizzato (gli elettroni vengono strappati dai nuclei) e forma un plasma.
Quando le particelle del plasma si energizzano e si scontrano, iniziano anche a riscaldarsi. Ulteriori metodi di riscaldamento aiutano a portare il plasma alla temperatura di fusione (tra 150 e 300 milioni di °C). Le particelle si “energizzano” abbastanza da superare la loro naturale repulsione elettromagnetica in caso di collisione per fondersi, rilasciando enormi quantità di energia a fusione nucleare.
Al momento, il più grande reattore tokamak del mondo è l’ITER, o reattore sperimentale termonucleare internazionale. La macchina dovrebbe essere accesa nel 2025 ed è un programma congiunto tra UE, India, Cina, Russia, Giappone, Stati Uniti e Corea del Sud.
