Reattore a fusione: cos’è il combustibile deuterio-trizio?

In laboratorio è stato dimostrato che la fusione degli atomi di deuterio-trizio produce il massimo guadagno di energia alle temperature "più basse"

L’ energia da fusione ha il potenziale per fornire energia sicura, pulita e quasi illimitata. Sebbene possano verificarsi reazioni di fusione per nuclei leggeri di peso inferiore al ferro, la maggior parte degli elementi non si fonderà a meno che non si trovino all’interno di una stella.

In laboratorio è stato dimostrato che la fusione degli atomi di deuterio-trizio produce il massimo guadagno di energia alle temperature “più basse”.

Per creare plasmi in fiamme in reattori sperimentali a fusione come tokamak e stellarator, gli scienziati cercano un combustibile che sia relativamente facile da produrre, immagazzinare e portare alla fusione. L’attuale soluzione migliore per i reattori a fusione è il combustibile deuterio-trizio. Questo combustibile raggiunge condizioni di fusione a temperature più basse rispetto ad altri elementi e rilascia più energia rispetto ad altre reazioni di fusione.

Il deuterio e il trizio sono isotopi dell’idrogeno, l’elemento più abbondante nell’universo. Mentre tutti gli isotopi dell’idrogeno hanno un protone, il deuterio ha un neutrone e il trizio ha due neutroni, quindi le loro masse ioniche sono più pesanti del protio, l’isotopo dell’idrogeno senza neutroni. Quando il deuterio e il trizio si fondono, creano un nucleo di elio, che ha due protoni e due neutroni. La reazione rilascia un neutrone energetico. Le centrali elettriche a fusione convertono l’energia rilasciata dalle reazioni di fusione in elettricità che possono alimentare le nostre case, le aziende e altre esigenze.

C'è un solo protone nel nucleo di tutti gli isotopi dell'idrogeno, ma il numero di neutroni varia
C’è un solo protone nel nucleo di tutti gli isotopi dell’idrogeno, ma il numero di neutroni varia.

Fortunatamente, il deuterio è comune. Circa 1 su 5.000 atomi di idrogeno nell’acqua di mare è sotto forma di deuterio. Ciò significa che i nostri oceani contengono molte tonnellate di deuterio. Quando l’energia da fusione diventerà realtà, solo un gallone di acqua di mare potrebbe produrre tanta energia quanto 300 galloni di benzina.

Il trizio è un isotopo radioattivo che decade in tempi relativamente brevi (ha un’emivita di 12 anni), ed è raro in natura. Fortunatamente, esporre l’elemento più abbondante del litio a neutroni energetici può generare trizio. Una centrale elettrica a fusione funzionante avrebbe bisogno di litio arricchito per generare il trizio di cui ha bisogno per chiudere il ciclo del combustibile deuterio-trizio. Gli attuali sforzi di ricerca e sviluppo si concentrano su progetti avanzati di coperte da riproduzione al trizio che utilizzano litio originariamente ottenuto da fonti terrestri.

Fatti sul combustibile deuterio-trizio

  • L’acqua prodotta dal deuterio è circa il 10% più pesante dell’acqua normale. Ecco perché a volte viene definita “acqua pesante”. Affonderà effettivamente sul fondo di un bicchiere di acqua normale.
  • Le fonti di trizio sulla Terra includono la produzione naturale dalle interazioni con i raggi cosmici, i reattori a fissione nucleare che producono energia come il reattore CANDU ad acqua pesante e i test di armi nucleari.
  • Per evitare alcune sfide di ricerca e sviluppo, incluso il danno materiale strutturale causato da neutroni energetici, gli scienziati della fusione sono interessati anche alle reazioni di fusione aneutronica (come la fusione deuterio-elio-3 e protone-boro) anche se queste reazioni di fusione si verificano a temperature ioniche più elevate rispetto al deuterio e trizio.

DOE Office of Science: contributi al combustibile deuterio-trizio

Parte della missione del programma FES (Dipartiment of Energy Office of Science, Fusion Energy Sciences), è sviluppare una pratica fonte di energia da fusione. FES collabora con il programma Advanced Scientific Computing Research utilizzando il calcolo scientifico per far progredire la scienza della fusione e comprendere l’effetto della massa ionica su vari fenomeni del plasma.

Presso le strutture per gli utenti dell’Office of Science come il tokamak DIII-D e NSTX-U tokamak sferico, gli scienziati studiano l’impatto della massa ionica sul confinamento, il trasporto e la turbolenza del plasma. Si studia anche il confinamento di prodotti di fusione come lo ione elio in presenza di campi magnetici elicoidali.

Il programma Office of Science Nuclear Physics sviluppa la scienza nucleare fondamentale alla base della comprensione della fusione creando database di reazioni nucleari, generando isotopi nucleari e delucidando gli aspetti della nucleosintesi.

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