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Ciao!

Sei uno studente delle scuole di II grado?

Ti proponiamo un breve viaggio sulla
FUSIONE DELL’ IDROGENO.

Può la fusione diventare una FONTE DI ENERGIA PULITA, SICURA, ABBONDANTE E SOSTENIBILE, in grado di contribuire a rispondere al crescente fabbisogno energetico dei prossimi decenni?


Cosa si intende con il termine fusione nucleare e quali sono le sfide scientifiche e tecnologiche che ancora ci attendono per giungere il prima possibile alla produzione di energia elettrica da fusione? 

Maria Ester Puiatti, fisica e ricercatrice CNR al Consorzio RFX,
spiega cos’è il plasma in questo breve video.

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Conosciamo inannzitutto il PLASMA

Circa il 69% dell’universo è fatto di energia oscura, il 27 % di materia oscura e solo l’1% di materia detta visibile, ovvero quella che conosciamo. La materia visibile che vediamo osservando il cielo e’ in gran parte nello stato di plasma ed emette radiazioni. IL SOLE E’ UN ENORME PLASMA, le stelle sono anch’esse sfere luminose di plasma.

Si tratta du atomi che in determinate condizioni – le vedremo tra poco – perdono almeno uno dei propri elettroni e cambiano di stato, diventando nuclei con carica positiva chiamati ioni. Dunque una materia gassosa e ionizzata.

Un PLASMA si produce quando si somministra energia termica (calore) a un gas innalzandone la temperatura, ad esempio facendolo percorrere da una corrente elettrica.
Una parte delle molecole e atomi che lo costituiscono si ionizza, sicche’ il gas, pur rimanendo globalmente neutro, contiene cariche positive (ioni) e negative (elettroni)


Il plasma è quindi un gas ionizzato, spesso indicato come il quarto stato della materia di cui è composto il 99,9 % della materia visibile. E’ un insieme di elettroni, molecole neutre, ioni positivi e negativi che si muovono in maniera caotica, ma con processi collettivi, e hanno proprietà davvero molto interessanti. Ma andiamo con ordine.


Il passaggio di STATO DELLA MATERIA è conosciuto e possiamo sperimentarlo facilmente: il ghiaccio quando viene riscaldato si trasforma in acqua; l’acqua riscaldata si trasforma in un gas; un gas riscaldato si ionizza e diventa plasma.

SOLIDO – LIQUIDO – GASSOSO – PLASMA

Il plasma e’ un gas in cui, innalzando la temperatura, ad alcuni atomi vengono strappati degli elettroni, producendo una miscela di atomi neutri, elettroni carichi negativamente e ioni con carica positiva

Maria Ester Puiatti

Maria Ester Puiatti, del Consorio RFX ci spiega così'è il plasma

Chi è Maria Ester e di cosa si occupa ?

Maria Ester collabora all’esperimento RFX, uno dei tanti esperimenti al mondo realizzati per esplorare la possibilità di ottenere energia da processi di fusione.
Ciao Maria Ester, quando hai capito che avresti dedicato la tua carriera allo studio del plasma?
“Fin dai tempi della mia tesi di laurea, sono stata affascinata dagli sforzi che tutta la comunità internazionale già allora profondeva per lo sfruttamento di questa fonte di energia”.

– E poi da subito ti sei trovata nelle sale sperimentali di impianti a fusione come la macchina RFX a Padova. Ma come si ottiene energia da processi di fusione?
Portando a collidere degli ioni, in particolare di idrogeno e dei suoi isotopi, cioè delle particelle che hanno una carica positiva. I loro urti producono ioni diversi, l’elio, ed un’enorme quantità di energia. Gli ioni hanno carica positiva e dobbiamo perciò usare molta energia per riuscire ad avvicinarli e a far si che inizino le collisioni”

Perché è così interessante studiare il plasma, e che vantaggi porta la ricerca sul quarto stato della materia?

Il PLASMA ha una caratteristica importantissima: è fatto di ioni ed elettroni IN MOVIMENTO, che hanno rispettivamente carica positiva e carica negativa, e campi elettrici scorrono ovunque portando le particelle del plasma a rimbalzare una contro l’altra. Cosa succede? Anche a distanza le particelle risentono dei loro reciproci campi elettrici. Il plasma è un gas ionizzato molto esuberante.

Questa sua vitalita’ e’ legata alla elevata energia termica necessaria per ionizzare gli atomi. Richiede quindi che il gas sia confinato IN VUOTO, perche’ l’aria raffredderebbe il plasma e ioni ed elettroni si ricombinerebbero in atomi neutri, ritornando allo stato gassoso

Nel vuoto che “riempie” lo spazio la maggior parte del gas è nello stato di plasma e la sua esuberanza fatta di movimento tra campi elettrici genera la parte più interna delle stelle, le nebulose gassose o intere galassie.

Sulla terra, l’atmosfera limita la nostra capacità di osservare il plasma in natura a poche ma incredibili esperienze: il flash di un lampo nel cielo o il morbido andamento dei colori dell’aurora boreale. Ma c’è anche il plasma prodotto dall’uomo, ad esempio il tubo fluorescente di un neon o i pixel di uno schermo al plasma.

Dunque possiamo facilmente coesistere con alcuni plasmi, ma non con quello che avviene naturalmente nello Spazio, nel sole e nelle stelle, dove le temperature sono troppo elevate

1 temperatura

Il plasma è legato alla presenza di altissime temperature, milioni di gradi, quando gli atomi hanno maggiore possibilità di collidere tra loro strappandosi gli elettroni grazie alla velocità del loro moto.

Temperatura e velocita’ sono strettamente correlate: infatti quando si riscalda un gas gli atomi si muovono attorno alla posizione di equilibrio con una velocita’ che aumenta all’aumentare della temperatura (moto di agitazione termica). Maggiore e’ la velocita’ di questo moto, piu’ probabili diventano le collisioni che portano a strappare gli elettroni dagli atomi.

2 densità

Ma, attenzione! Quando parliamo di altissime temperature non vuol dire necessariamente che parliamo di altissimo calore.
Se misuriamo la temperatura degli elettroni all’interno di un tubo di neon fluorescente troveremo circa 20.000 °C, ma se tocchiamo il tubo al neon non ci scottiamo le dita. Perché?

Perché la densità degli elettroni all’interno del tubo è molto inferiore alla densità di un gas a pressione atmosferica e la quantità di calore trasportato alla parete di vetro dagli elettroni che la colpiscono con la loro velocità termica non è poi così grande.

La densità del plasma è uno dei suoi parametri caratteristici, assieme alla temperatura, e si esprime con il numero di particelle per metro cubo (m-3).

Densità e temperatura determinano diversi tipi di plasma. QUANTI TIPI DI PLASMI SI CONOSCONO? Si va dal sole, alla ionosfera, alla lampada al neon, alle scariche (archi) per le saldature industriali. Le manifestazioni dei plasmi sono i fulmini e le aurore boreali.

Guarda densità e temperature tipiche di alcuni plasmi

Guardiamo il plasma più da vicino, osservando una delle sue proprietà fondamentali: il plasma è un insieme di particelle cariche che tuttavia globalmente di mantiene neutro.

“Il paragone che spesso viene usato è quello della gelatina rosa, che nel suo interno contiene particelle che singolarmente sono rosse e bianche, ma che l’occhio percepisce nella sua globalità come rosa. Come nella gelatina esiste una minima distanza spaziale per la quale è possibile vedere le particelle rosse e bianche come separate, così nel plasma esiste una scala spaziale alla quale elettroni e ioni si muovono in modo indipendente: questa minima distanza viene chiamata lunghezza di Debye.” (cit. Wikipedia)

L’effetto di questa proprietà rende il PLASMA PIU’ SIMILE A UN FLUIDO che a gas ordinario.

3 pochi atomi neutri

Ciò si collega alla terza ed ultima caratteristica che un gas ionizzato deve avere per essere chiamato plasma e questa caratteristica ha a che fare con le collisioni. Se le particelle cariche vanno a collidere troppo frequentemente con atomi neutri vuol dire che il movimento è non è controllato da forze elettromagnetiche, come avviene nel gas di scarico di un jet che è un gas debolmente ionizzato. Il plasma deve avere quindi pochi atomi neutri per essere controllato da forze elettromagnetiche. In un gas ionizzato la frequenza delle collisioni con atomi neutri è molto bassa e le interazioni tra le particelle sono di tipo eletromagnetico.

Come si può contenere il plasma?

Passando dai plasmi in natura alla ricerca sulla fusione in laboratorio, è necessario non disperdere l’enorme quantità di energia fornita per raggiungere le condizioni di fusione e realizzare quindi un isolamento termico tra il plasma (la materia energizzata) e il suo contenitore.

Abbiamo visto che il plasma e’ un gas riscaldato a temperature elevatissime e nessun materiale puo’ sopportare la sua energia termica, ma anche che il plasma stesso sarebbe raffreddato dal contatto con qualsiasi materiale. Come si può quindi mantenere il plasma separato dal suo contenitore? Un modo e’ quello di utilizzare i CAMPI MAGNETICI.

Il plasma caldo è racchiuso in una camera in vuoto, e una opportuna configurazione di campi magnetici (prodotti dall’esterno o da correnti circolanti nel plasma stesso) impedisce il contatto diretto con le pareti del recipiente. Si tratta della fusione a CONFINAMENTO MAGNETICO.

Le macchine attuali utilizzano diversi tipi di configurazioni magnetiche, tra queste in particolare le configurazioni chiamate Tokamak e Reversed Field Pich (RFP). A Padova da diversi anni è operativo un esperimento di confinamento magnetico in configurazione Reversed Field Pinch (RFP) denominato RFX-mod.


Una strada alternativa e’ la cosiddetta fusione inerziale: il plasma viene prodotto mediante un impulso laser di altissima potenza diretto su un bersaglio inizialmente solido, riscaldandolo e comprimendolo a valori di densita’ altissima per un tempo molto breve.

Ora sei in grado di entrare nel cuore della fusione termonucleare controllata: IL TOKAMAK

Diamo prima un rapido sguardo a come è nata LA RICERCA SULLA FUSIONE,

DAI PRIMI PASSI NEGLI ANNI ’50, A ITER

La fisica dei plasmi moderma è iniziata agli inizi degli anni ’50 quando fu proposto di controllare ciò che accadeva durante la reazione di fusione di una bomba a idrogeno per progettare un reattore a fusione. Nel 1958, si tenne una conferenza a Ginevra, ATOMS FOR PEACE, destinata a rimanere una pietra miliare della cooperazione internazionale, durante la quale le nazioni intervenute rivelarono il proprio programma sulla fusione controllata – fino ad allora le informazioni erano secretate – e la ricerca si sviluppo nei diversi Paesi con la realizzazione di esperimenti con dimensioni e parametri crescenti fino al 2007 quando fu decisa la realizzazione di ITER.
ITER sta per International Thermonuclear Experimental Reacto, il primo reattore sperimentale a fusione costruito in Francia in una collaborazione mondiale di 7 grandi Paesi: Europa, cina, Corea, Giappone, India, Russia e Stati Uniti d’America. La parola ITER in latino vuol dire “la via”, la strada da percorrere. E’ la strada che l’umanità deve percorrere per affrontare il problema della produzione di energia eco-sostenibile entro la seconda metà di questo secolo. Tra tutte le “bottiglie magnetiche” a fusione presentate nel 1958, il TOKAMAK è il modello più avanzato per gli esperimenti a fusione ed è la configurazine utilizzata per il primo reattore sperimentale a fusione ITER. Il primo plasma di ITER è previsto nel 2025.

Come funziona un TOKAMAK?

Immaginiamo il tokamak come una macchina a fusione che usa come carburante idrogeno pesante (il Deuterio) e il Trizio.

Il Deuterio esiste in natura, è un isotopo dell’idrogeno e si estrae dall’acqua del mare (1 parte su circa 6000).

La combustione del motore della nostra macchina, il tokamak, avviene per reazioni di fusione tra atomi di DEUTERIO (che viene indicato con la lettera D) e TRIZIO (che viene indicato con la lettera T).

Per avviare le reazioni di D e T è necessario ionizzare il gas, portando il plasma a temperature ben oltre i 100 milioni di °C (10 kiloelettronvolt – KeV) in modo che un numero sufficiente di ioni siano liberi di circolare e avviare le collisioni per un sufficiente periodo di tempo.

Riuscire a riscaldare e a contenere il plasma non è certo facile ed è la grande sfida scientifica e tecnologica della ricerca sulla fusione termonucleare controllata.

Ma torniamo alla nostra macchina a fusione ed entriamo in una grande camera a forma di ciambella dove, accendendo il plasma, ovvero inducendo una corrente elettrica, gli atomi leggeri di Deuterio si fonderanno per produrre un’enorme quantità di energia.

Concettualmente l’idea è semplice:

si tratta di unire, cioè di fondere, atomi di idrogeno

che, tuttavia, hanno carica positiva e si sa, particelle che hanno la stessa carica non ne vogliono sapere di unirsi e tendono ad allontanarsi per effetto della forza elettromagnetica, così come avviene tra i poli con segno uguale di due magneti.

Se riusciamo ad avvicinare queste particelle a distanze infinitesimali, allora la repulsione si trasformerà in una forza di attrazione (forza nucleare) 100 volte più forte di quella di repulsione (forza elettromagnetica) e questo è ciò che accade durante le reazioni di fusione.

Ma come può accadere tutto ciò? Pensiamo a questi atomi di Deuterio in movimento nel vuoto; la probabilità che si incontrino o meglio che entrino in collisione è bassissima. E’ NECESSARIO quindi intervenire, IMMETTERE energia nel sistema, cioè immettere CALORE fino a temperature che consentano statisticamente che particelle con uguale segno di carica si scontrino fino a fondersi.

Aumentando la temperatura, le particelle si eccitano e iniziano a muoversi sempre più velocemente. La domanda a questo punto è: quanta energia è inizialmente necessaria? Quella necessaria a produrre temperature ben oltre i 100 milioni di °C.

Il plasma contenuto nella camera da vuoto deve essere riscaldato fino a circa 150 milioni di °C per avviare il processo di fusione.

E’ essenzialmente un problema tecnologico e la realizzazione industriale pone alcuni aspetti critici che devono essere sviluppati e testati.

Scopri il principio


Guardiamo insieme questo breve video che ci spiega cosa avviene nei processi di fusione e le soluzioni tecnologiche individuate per realizzare il primo reattore sperimentale a fusione ITER

Essendo fatto di cariche elettriche, il plasma può essere modellato da campi magnetici, e questa è una caratteristica molto importante che ci viene in aiuto per mantenere il plasma a 150 milioni di °C.

I campi magnetici contengono il plasma, imbrigliandolo, ovvero confinandolo, in una forma a ciambella sospesa lontano dalle pareti della camera da vuoto.

Questo e’ necessario sia per non raffreddare il plasma che per preservare le pareti della camera che lo contiene: quale materiale potrebbe infatti resistere a queste temperature?

I campi magnetici fungono da pareti non- materiali per il plasma ed è per questo che si parla di fusione termonucleare controllata in reattori a confinamento magnetico. CONFINAMENTO MAGNETICO DEL PLASMA.

Entriamo nel cuore di un reattore a fusione a confinamento magnetico.

Intorno a noi immensi magneti e avvolgimenti superconduttori inducono correnti elettriche che scorrono senza incontrare alcuna resistenza evitando di dissipare energia. La camera da vuoto a forma di ciambella è circondata da questi magneti, in un grande abbraccio magnetico che impedisce al plasma di toccare le pareti interne.

Il plasma così confinato e sospeso nel vuoto può ora iniziare a cedere l’energia prodotta dalle reazioni di fusione.

Il calore, trasportato, sotto forma di energia cinetica, dai neutroni prodotti dalle reazioni di fusione, è depositato in un mantello che circonda il plasma. Qui avviene l’estrazione del calore , secondo gli schemi classici delle centrali termoelettriche, utilizzando il riscaldamento dell’acqua di raffreddamento, la generazione del vapore e la conversione di energia elettrica tramite una turbina e un alternatore, che verrà immessa in rete.

Energy is like oxygen for life.

As long as there are human beings on Earth, we need energy.

One of the best thing to do, is to replicate what happens in the Sun.

L’umanità ha bisogno di energia, senza emissioni di anidride carbonica, un’energia sicura, abbondante e amica dell’ambiente. Un’energia per tutti.

Sosteniamo la ricerca sulla fusione e gli sforzi che scienziati di tutto il mondo stanno compiendo per renderla possibile.