LE STRADE PER LA FUSIONE / 1

Le vie battute: confinamento magnetico e inerziale.

In questo e nei prossimi articoli si parlerà di fusione nucleare. Non di quella “fredda”, di cui non esistono né riscontri scientifici certi, né basi universalmente riconosciute, ma di quella termonucleare (“calda”), fenomeno scientifico ben studiato e documentato. In particolare, ci si occuperà dello “stato dell’arte tecnologico”, cioè delle sperimentazioni su piccola o grande scala.
Particolare risalto verrà dato alle nuove collaborazioni scientifiche attive nel settore. Si comincerà con “Helion Energy”, società alla ribalta delle cronache scientifiche in seguito alla pubblicazione di un articolo sulla rivista accreditata Nuclear Fusion. Soprattutto si cercherà di capire quanto queste vie alternative siano scientificamente attendibili e promettenti.

Cos’è la fusione termonucleare

La fusione termonucleare è il processo di produzione energetica per eccellenza: il più efficiente e il più pulito. Non per niente è adottato dalla natura per alimentare e “sostenere” le stelle. Al contrario della fissione nucleare, in cui nuclei pesanti vengono scissi in nuclei più leggeri, la fusione comporta l’unione di nuclei semplici in nuclei più complessi. Un esempio è la fusione di deuterio e trizio (isotopi dell’idrogeno) in elio. L’energia liberata è enorme: 17.6 Mev per reazione, circa un milione di volte più grande dell’energia che lega un elettrone al nucleo dell’idrogeno. Secondo alcune stime, con un solo grammo di deuterio e trizio si produrrebbe la stessa energia proveniente dalla combustione di undici tonnellate di carbone.
Il Sole è lì nel cielo a testimoniare le potenzialità della fusione. La sfida è riprodurle alla nostra scala. Disporre delle competenze sufficienti per riprodurre la fusione termonucleare sulla Terra (accendere dei piccoli soli) sarebbe la manna dal cielo, visto il nostro fabbisogno energetico.
La faccenda però è tutt’altro che semplice: per fondere due nuclei bisogna superare la repulsione elettrostatica (barriera coulombiana) che li separa. Si parla di fusione “termo” – nucleare essendo necessarie pressioni e temperature elevatissime per abbattere questa barriera. In queste condizioni la materia diventa plasma, stato ottimale per ottenere la fusione dei nuclei atomici.
Le stelle possono affidarsi alla gravità per ottenere queste condizioni (si parla di “confinamento gravitazionale” del plasma), noi no. Anche perché la “accensione gravitazionale” richiede migliaia di anni, un tempo oltre la nostra portata. In più, per l’uomo è essenziale controllare le reazioni nucleari, dopo averle innescate (problema che per le stelle non si pone).
Per questo motivo sono in fase di sviluppo metodi di confinamento del plasma adatti alle nostre esigenze: strade difficili ma promettenti. Due sono i filoni principali: il confinamento magnetico nei “tokamak” e il confinamento inerziale.

Fusione a confinamento magnetico: un lungo ITER

Rinchiudere un plasma a milioni di gradi dentro un contenitore non è uno scherzo. Per esempio, lo si può intrappolare all’interno di tori (“ciambelle”, i tokamak, appunto) sfruttando opportuni campi magnetici. Su questa strada, la collaborazione più importante, accreditata e finanziata è ITER, a cui partecipano Cina, Europa, India, Giappone, Sud Corea, Russia e Stati Uniti. I lavori nel sito francese di Cadarache sono ancora agli scavi iniziali, ma il progetto è imponente: il più grande tokamak di sempre, composto da 18 magneti superconduttori per un peso complessivo di 23 000 tonnellate, riscalderà un plasma a 150 milioni di gradi (dieci volte la temperatura interna del Sole) innescando la fusione dei nuclei presenti.

Il tokamak del progetto ITER (Credit: NFRI, Korea)

L’obiettivo è realizzare un impianto che produca dieci volte l’energia consumata. Tuttavia, non si prevede di produrre il primo plasma prima del 2019. Il “break-even” (arrivare a produrre tanta energia quanta se ne consuma, il pareggio di bilancio), invece, è previsto per il 2026.

Fusione a confinamento inerziale: la via del laser

Le tecniche di “confinamento inerziale” consistono nel bombardare piccoli bersagli sferici contenenti deuterio e trizio con fasci laser (un po’ come faceva il doc. Octopus in Spider Man II). Le forti pressioni esercitate sullo strato esterno del bersaglio ne causano l’implosione. Le shock-waves generate dalle implosioni, propagandosi verso l’interno, dovrebbero innescare la fusione di tutto l’idrogeno.

Fusione per confinamento inerziale di un bersaglio di deuterio e trizio: le fasi (Credit: Splung.com)

L’utilizzo del condizionale è d’obbligo: il fenomeno è stato ampiamente studiato, ma i risultati pratici hanno mosso solo qualche passo oltre le simulazioni informatiche. Nel 2010 gli scienziati del NIF (National Ignition Facility), presso il Lawrence Livermore National Laboratory, in California, hanno compiuto il primo passo verso la fusione: utilizzando 192 fasci laser simultanei hanno “acceso” il bersaglio di idrogeno, liberando un’energia circa dieci volte maggiore di quella fornita dai laser.

L'apparato del NIF: chissà che botta! (Credit: NIF)

Attualmente, però, al NIF si può produrre solo qualche raggio laser al giorno, mentre per le applicazioni energetiche la frequenza dovrà raggiungere la decina di impulsi al secondo. C’è ancora molto da lavorare, quindi.
Se la fusione di un’intera “pallina” di idrogeno è a portata di mano, bisognerà attendere anni (una decina, forse) per riuscire a fondere bersagli in sequenza. Per non parlare del “break-even”, quasi un miraggio al momento.
Anche in Europa si lavora al confinamento inerziale: ne sono esempi HIPER (High Power Laser Energy Research Facility), programma di ricerca cui partecipa anche l’Italia, e Megajoule, collaborazione scientifica francese ancora in fase di costruzione. Pur potendo contare su un arsenale di ben 240 laser, dovremo aspettare anni per i primi risultati concreti.

Per gli studi condotti finora ITER potrebbe davvero essere “la strada” maestra per l’energia nucleare, come il suo nome suggerisce. “Tuttavia – come riconosce David Campbell, scienziato della stessa collaborazione – quando le dimensioni in gioco sono così grandi, c’è sempre un certo margine di incertezza sul risultato”. E la storia di LHC lo testimonia. Inoltre i tempi di realizzazione sono lunghi, troppo per permettersi di aspettare speranzosi i risultati senza percorrere anche altre strade. E nemmeno i progetti a confinamento inerziale sono a breve scadenza.
Così, accanto ai progetti “istituzionali” sono partite altre collaborazioni “minori” gestite e/o finanziate anche da privati.
Se costruiranno una concorrenza rispettosa del metodo e delle regole alla base dell’onestà scientifica (di cui la “peer-review” del proprio operato è l’esempio principale), saranno sicuramente un valido stimolo per i “grandi” del settore.

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3 risposte a LE STRADE PER LA FUSIONE / 1

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  2. فابيو ha detto:

    bell’articolo. A quando il 2ndo capitolo?

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