Fusione Nucleare      

Fusione nucleare magnetica
Fusione nucleare inerziale

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L'Ingnitor all'Istituto
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L'importanza della fusione nucleare

 

Introduzione
Una fonte di energia inesauribile, sicura, non inquinante
Il problema dell'ignizione della fusione nucleare
Fusione a confinamento magnetico
Fusione a confinamento inerziale
Un po' di storia della fusione nucleare
Sarebbe possibile accelerare i tempi?


Introduzione
La fusione nucleare ci offre la possibilità di poter disporre di una illimitata fonte di energia. Essa consiste appunto nella fusione nucleare dei nuclei leggeri, gli isotopi dell'Idrogeno. Il processo è simile a quello che avviene nel sole e nelle altre stelle. Quando due nuclei atomici sono forzati a stare molto vicini, la forza nucleare di attrazione supera la forza di repulsione ( la forza di Coulomb) e i due nuclei si fondono in un unico nucleo. Fondendo insieme i nuclei di un atomo di Deuterio e uno di Trizio viene prodotto un nucleo di un atomo di Elio e un neutrone. La massa totale dei prodotti della reazione è minore di quella dei reagenti. Precisamente per ogni reazione viene liberata una quantità di energia di 17,6 MeV, che è l'esatto corrispondente della massa che è diminuita (E=mc2) nella reazione di fusione tra Deuterio e Trizio.

m(D)+m(T)=m(He)+m(n)+(17.6MeV)

Una fonte di energia inesauribile, sicura, non inquinante.
La fusione nucleare e' destinata a risolvere i problemi energetici che oggi affliggono l'umanità. In un litro di acqua di mare sono facilmente estraibili 33 mg di Deuterio, il Trizio si può ricavare invece dal Litio (un metallo largamente disponibile sulla crosta terrestre). Il Litio attualmente è usato anche per le batterie che alimentano i computer portatili e i telefoni mobili.
Fondendo in un reattore a fusione nucleare 33 mg di Deuterio ricavati da un litro di acqua di mare con 50 mg di Trizio, facilmente ottenibile da 5 grammi di minerale di Litio, si produce una energia equivalente alla combustione di 360 litri di benzina. Come si vede il combustibile necessario per la fusione nucleare e' di facile reperibilità e estrazione e disponibile sulla terra in quantità tali da garantire la produzione di energia necessaria all'umanità per milioni di anni.
I reattori a fusione nucleare inoltre hanno anche notevoli vantaggi per quanto riguarda la sicurezza, l'inquinamento e lo smaltimento delle scorie.
Il 90% delle scorie della fusione nucleare hanno una bassa radioattività che si esaurisce in soli cento anni. Si elimina quindi anche il problema sociale e politico dello stoccaggio. Rimane il fatto che la reazione D-T produce un neutrone con più di ¾ dell'energia emessa che dal nocciolo del reattore arriva al "mantello " (blanket) producendo una certa quantità di sostanze radioattive. Uno dei principali elementi della reazione di fusione e' il Trizio, che ha una vita media di solo 12,36 anni e emette radiazione ß (bassa energia). Il Trizio non si trova in quantità apprezzabili in natura, deve essere prodotto a partire dal Litio bombardandolo proprio con i neutroni della reazione di fusione. Nel futuro reattore a fusione i neutroni che provengono dalla reazione di fusione, che avviene nel nocciolo del reattore, vengono assorbiti da un mantello contenente Litio posto intorno al nocciolo del reattore stesso. E' nel mantello che il Litio si trasforma in Trizio ed Elio secondo le reazioni:

Li7 +n=He4+T+n* - 2.5 MeV
Li6+n=He4+T+4.86 MeV
(n*= neutrone lento)

E' dal mantello del reattore che poi si estrae il Trizio che verrà usato come combustibile per la reazione di fusione .
Il Litio naturale (di composizione 92.5% Li7, 7.5% Li6) abbonda nelle rocce della crosta terrestre (30 parti su un milione per unità di peso) ed è presente, in concentrazione minore, anche negli oceani.
I reattori a fusione inoltre non producono Plutonio e sono molto ridotte anche le conseguenze di eventuali incidenti. In caso di guasto, il reattore a fusione tenderà a raffreddarsi arrestando spontaneamente la reazione di fusione nucleare (sicurezza intrinseca).

Il problema dell'ignizione della reazione di fusione.
La natura pone però un serio ostacolo allo sfruttamento di questa fonte di energia. Per poter forzare i nuclei di Deuterio e Trizio a stare sufficientemente vicini così che possa avvenire la reazione di fusione occorre che si arrivi a temperature molto alte, 100.000.000 °C e oltre, la temperatura del sole e delle stelle. A quelle temperature gli elettroni si separano dai nuclei e si ottiene uno stato della materia chiamato plasma in cui i nuclei carichi positivamente e gli elettroni carichi negativamente interagiscono in modo collettivo.
Per poter sfruttare la reazione di fusione per produrre energia elettrica occorre inoltre che la reazione di fusione avvenga in moto tale che sia prodotta abbastanza energia non solo per innescare la reazione di altri nuclei e quindi mantenerla ma che ci sia anche una energia netta da trasformare poi in energia elettrica con un impianto di generazione, praticamente convenzionale, con un rendimento che sappiamo non supera il 40%. Per questo è necessario che il plasma dei nuclei di Deuterio e Trizio oltre alla alta temperatura che abbiamo prima menzionato abbia anche una certa densità e inoltre deve rimanere confinato per un certo tempo a quella temperatura e densità affinché la reazione di fusione si possa mantenere.
Queste condizioni si possono raggiungere in un plasma denso ed ad alta energia praticamente in due modi: uno utilizza la forza magnetica, l'altro utilizza la forza inerziale.

Fusione Magnetica
Densità ˜ 1014 part/cm3
Tempo ˜ 1 sec
Dimensioni del
Plasma ˜ 1000 m3
Fusione Inerziale
Densità ˜ 1025 part/cm3
Tempo ˜ 100 ps
Dimensioni del

Plasma ˜ 10-6 cm3

Fusione a confinamento magnetico
Questo metodo consiste nel confinare un plasma a relativamente a bassa densità e per un periodo di tempo abbastanza lungo attraverso forze magnetiche.
E' praticamente l'analogo di un bollitore a combustione continua dove il combustibile e continuamente fornito e continuamente viene consumato.
Una volta confinato il plasma in un contenitore magnetico come in figura, un sistema di tipo Tokamak, lo si può riscaldare con diversi sistemi:
Il plasma è un conduttore elettrico, è quindi possibile riscaldarlo mediante una corrente indotta dall'esterno: il plasma nella "ciambella" si comporta come una spira cortocircuitata che costituisce il secondario di un trasformatore il cui primario è all'esterno. La corrente indotta ha così il duplice scopo di creare il campo poloidale e di riscaldare il plasma a temperatura elevata (4 nella figura sottostante). Questo tipo di riscaldamento è detto riscaldamento ohmico o resistivo, obbedisce alla legge di Joule, ed è analogo al riscaldamento di una lampadina o di una stufa elettrica.
Un limite a detto riscaldamento ohmico è dato dal fatto che la resistività del plasma decresce al crescere della temperatura e la massima temperatura ottenibile nel plasma, è di alcuni milioni di gradi.
Per raggiungere le temperature richieste per la fusione termonucleare è necessario, quindi, ricorrere ad un riscaldamento supplementare, che si può realizzare:
- per assorbimento nel plasma di onde elettromagnetiche, iniettate mediante guide d'onda o antenne che trasferiscono ad esso energia elettromagnetica (1 in figura);
- per iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica che attraversano il campo magnetico, vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma (2 in figura);
- per compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostando il plasma verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento (3 in figura).
Una volta che nel plasma sono state raggiunge le condizioni di ignizione si ottiene la fusione nucleare e quindi si produce energia.

E' importante osservare che in un reattore a fusione nucleare l'energia prodotta per la fusione viene depositata dai neutroni uscenti dal plasma in una struttura detta mantello (blanket), e quindi recuperata sotto forma di calore. Questo calore va poi convertito in elettricità, mediante una normale turbina a vapore, con un rendimento che potrà aggirarsi sul 40%.

Fusione a confinamento inerziale
Nella fusione a confinamento inerziale potenti raggi laser vengono focalizzati omogeneamente sulla superficie sferica dal diametro di qualche millimetro di una "pasticca" (pellet) di combustibile nucleare, una miscela di deuterio e trizio. Il combustibile nucleare è accelerato verso il centro della sfera (implode) dal plasma ad alta pressione creato sulla superficie della pellet di combustibile. In questo processo la sferetta di combustibile viene compressa ad una densità di diverse centinaia di volte superiore a quella della normale materia solida. Per creare un stato di alta temperatura e alta densità è fondamentale ottenere una implosione altamente uniforme. Oltre alla compressione della pellet ad altissima densità durante l'implosione si irraggia il combustibile con un impulso laser molto breve (un miliardesimo di secondo) e molto intenso (1015 Watt) in modo da scaldare ulteriormente il plasma e arrivare all'ignizione della reazione di fusione.
Questo metodo, chiamato il "fast-ignition", permette di ottimizzare sia l'implosione ad alta densità e il processo di riscaldamento autonomo con impulsi laser ad alta energia. E' così possibile ottenere una maggiore efficienza e una migliore resa delle reazioni di fusione.
In pratica la fusione a confinamento inerziale prevede l’innesco di microesplosioni, dello stesso tipo della bomba all’idrogeno, anche se molto più piccole, in modo tale che gli effetti siano contenuti in una camera di reazione. Le microesplosioni sono ripetute in successione, tanto frequentemente da dare un flusso continuo di energia. Il principio e' simile al funzionamento del motore a scoppio.




Un po' di storia della fusione nucleare
La figura qui a fianco mostra l'andamento, dagli anni '50 , di un parametro, il prodotto tra densità, temperatura e tempo di confinamento del plasma ad alta energia, che rappresenta una quantificazione delle prestazioni degli esperimenti di fusione nucleare. Ci riferiamo qui agli esperimenti sulla fusione "a confinamento magnetico" effettuati con macchine di tipo "tokamak". La figura è tratta dal libro "Tokamaks" di John Wesson. Si vede che fino agli anni '90 si sono avuti progressi costanti, che hanno dato una crescita esponenziale di questo parametro.
Estrapolando i dati della figura precedenti al 1990, si sarebbe dovuti arrivare a parametri sufficienti per produrre un reattore a fusione nucleare per produrre energia elettrica già intorno al 2000. Cosa è successo ? Dopo la generazione di grandi tokamak entrati in funzione nella prima metà degli anni '80 (il JET dell'Unione Europea, il TFTR negli USA e JT-60 in Giappone), avrebbe dovuto esserci una nuova generazione di macchine, con prestazioni superiori . Questo però non si è verificato principalmente a causa del fatto che gli aumenti di prestazioni corrispondono anche a macchine sempre più grandi e costose. Ci si è infine orientati per un'unica macchina di nuova generazione, frutto di una collaborazione internazionale (inizialmente tra UE, USA, Giappone e Russia, oggi ci sono anche Cina, Corea del Sud e l'India), chiamata ITER che e' attualmente in costruzione a Cadrache (Francia).
La progettazione di ITER iniziò nel 1990 e si concluse nel 1998. A quel punto però i politici decisero che il costo era troppo elevato. In particolare, gli USA abbandonarono il progetto. A questa impasse è seguita una revisione del progetto, che ha portato ad un abbassamento dei costi, abbassando però anche le prestazioni dell'esperimento. Mentre il vecchio ITER avrebbe dovuto raggiungere l'ignizione, ovvero una condizione in cui, dopo una fase iniziale di riscaldamento, il plasma si autosostiene senza contributi energetici esterni, si optò per un progetto di costo dimezzato in grado di raggiungere un Q compreso tra 5 e 10 (Q è il rapporto tra energia prodotta dalle reazioni di fusione ed energia immessa nel plasma per riscaldarlo; Q= infinito sarebbe la condizione di ignizione). E' importante osservare che in un reattore commerciale (cosa che non è ITER, che e' una macchina sperimentale, non pensata per la produzione di energia) l'energia prodotta per la fusione viene depositata dai neutroni uscenti dal plasma in una struttura detta "mantello", e quindi recuperata sotto forma di calore. Questo calore va poi convertito in elettricità, mediante una normale turbina a vapore, con un rendimento che potrà aggirarsi sul 40%. Tenendo conto di questa efficienza, e dell'ulteriore efficienza dell'uso di parte di questa energia elettrica per riscaldare il plasma, la condizione che sarà raggiunta da ITER è insufficiente per una effettiva produzione netta di energia elettrica da destinarsi al consumo.

Va ribadito che progettare l'ITER con queste basse prestazioni è stata una scelta politica, non scientifica. Una macchina che possa raggiungere l'ignizione (Q = infinito) è un traguardo perfettamente raggiungibile allo stato attuale delle conoscenze.

La costruzione di ITER durerà 8 anni, a cui seguiranno una decina d'anni di utilizzo. A quel punto si inizierà a costruire una nuova macchina "DEMO", il primo vero reattore a fusione che potra' essere connesso alla rete elettrica.

Sarebbe possibile accelerare i tempi?
Schema di una futura centrale a fusione ncleareE' chiaro che sarebbe sempre possibile varare un "programma d'urto" internazionale, tipo progetto Manhattan, per avere la fusione in tempi molto più rapidi, ma occorre un impegno di risorse che al momento nessuno governo sembra disposto ad affrontare. Basti ricordare che il Congresso americano ha negato i finanziamenti all'ITER che pure il governo aveva stanziato per il 2008. Notiamo inoltre che il costo di ITER è elevato, ma non poi così tanto, specie se si tiene conto del numero di partner. Si stima di spendere 360 milioni di $ all'anno per i nove anni di costruzione, e 188 milioni di $ all'anno per i dieci anni di utilizzo, da suddividersi tra tutti i maggiori paesi industrializzati.
Basta paragonarli ai 15 miliardi di Euro previsti per il traforo TAV della Val di Susa, o ai 4,6 miliardi di Euro per il ponte sullo Stretto di Messina, a carico della sola Italia.
Profeticamente, uno dei grandi pionieri russi della fusione nucleare disse: "Noi non sfrutteremo il potenziale della fusione nucleare fino a quando non diventerà una necessità". L'Europa avrà ancora sufficienti riserve di combustibili fossili per mantenere il suo fabbisogno energetico al livello attuale e nelle prime decadi del 21 ° secolo. E poi?
Secondo uno studio condotto dal World Energy Council, entro il 2020, l'Europa occidentale avrà riserve di petrolio e di gas sempre più scarse e solo la Norvegia dovrebbe avere riserve sufficienti. L' Europa occidentale potrebbe entrare in una fase di declino per la mancanza di energia. Nei prossimi 25 anni, in Europa la dipendenza dalle forniture esterne di combustibili convenzionali aumenterà dal livello attuale di circa il 50% a circa il 70%.
Ci sono poi altri fattori che devono essere presi in considerazione. Nel 1990 circa il 75% della popolazione mondiale (i paesi in via di sviluppo) sono stati responsabili per solo il 33% del consumo di energia a livello mondiale; entro il 2020 questa parte della popolazione probabilmente salirà all' 85% e il loro consumo energetico arriverà al 55 % del consumo di energia a livello mondiale. Ci sarà una fortissima concorrenza per le risorse disponibili di combustibile fossile, già ben visibile da parte della Cina e dell'India.
Un altro fattore importante è che e' molto probabile che ci sia un ulteriore inasprimento degli accordi internazionali per quanto riguarda le emissioni di CO2 allo scopo di rallentare gli effetti del riscaldamento globale e le conseguenti variazioni climatiche. Tutto ciò porta rapidamente alla necessità di intensificare la ricerca scientifica per raggiungere una maggiore efficienza e conservazione delle nostre risorse energetiche fossili. Dato che, a breve termine, entro il 2020, i contributi che verranno da diversi sistemi che utilizzano energia rinnovabile - in primo luogo la biomassa, l'energia idroelettrica, solare, eolica e geotermica - è improbabile che superino il 20% del totale, la disponibilità per fornire la quota maggioritaria del 80% dell'energia necessaria a livello mondiale e' chiaro che dovrà venire, oltre che dai combustibili fossili, dalla fissione nucleare. E' chiaro inoltre che la fusione nucleare dovrà avere fin da subito un ruolo importante da svolgere per assicurare a noi e alle future generazioni il mantenimento e il miglioramento delle attuali condizioni di vita.


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