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La ricerca sulla fusione

“Nel Sole , l’idrogeno si fonde in elio
liberando l’energia che, irradiata, consente la vita sulla Terra.

Scienziati di tutto il mondo cercano di replicare
reazioni analoghe di fusione da isotopi di idrogeno che fondendosi
riasciano una ENORME QUANTITA’ DI ENERGIA”

Giorgio Rostagni

L’obiettivo delle ricerche è la realizzazione di impianti nucleari a fusione per la produzione di energia elettrica su larga scala,  sicura, a costi competitivi e nel rispetto dell’ambiente.

A questo scopo, da alcuni decenni, a livello mondiale, si è sviluppato un ambizioso programma di ricerca per la produzione di energia da plasmi, ovvero gas ionizzati ad alta temperatura, dove possano avvenire spontaneamente reazioni di fusione tra nuclei leggerei, ad esempio Deuterio e Trizio. Dalla miscela di questi isotopi di idrogeno, disponibili sulla terra in misura abbondante e facilmente reperibili, si ottiene il combustibile degli impianti a fusione.

Il principio fondamentale della fusione si basa sulla collisione di atomi leggeri, carichi positivamente, che, vincendo le forze di repulsione tra particelle, si fondono e in questo processo producono nuclei di elio (particelle α) e neutroni di alta energia. 


1 grammo di combustibile genererà 90.000 kilowatt-ore di energia,
pari alla combustione di 11 tonnellate di carbone.

La fusione può essere molto vantaggiosa: leggi le FAQ

Per far si che le reazioni di fusione tra questi atomi leggeri di idrogeno siano efficaci per produrre energia, oltre al combustibile, servono contemporaneamente tre fondamentali condizioni:
– che la temperatura (T) sia almeno di 150 MILIONI DI GRADI (10 volte la temperatura nel Sole)
– che la DENSITA‘ (n), o, in altri termini, il numero di particelle nel contenitore, sia molto bassa, ma tale che vi siano buone probabilità che le particelle si incontrino
– che il plasma riesca a mantenersi “caldo” per un tempo sufficientemente lungo (dell’ordine di frazioni di secondo) chiamato: TEMPO DI CONFINAMENTO (τE ) che corrisponde al rapporto tra l’energia del plasma e quella persa.

Quando il prodotto di densità (n), temperatura (T) e tempo di confinamento (τE) superano una determinata soglia, si ottiene l’ignizione, una condizione in cui il calore generato dalle reazioni di fusione “auto-sostiene” le reazioni stesse nel reattore.

CURIOSITA’ Da dove deriva il termine “plasma”?

Il termine “plasma” fu utilizzato per la prima volta nel 1927 dall’americano Irving Langmuir, vincitore del premio Nobel per la Fisica, per indicare un gas ionizzato il cui comportamento è assimilabile a quello di un fluido che trasporta elettroni, ioni e impurezze. Il termine gli fu suggerito dall’analogia con il plasma sanguigno, termine introdotto nel secolo precedente dal medico ceco Purkinje per indicare il fluido che trasporta globuli bianchi, globuli rossi e sostanze nutritive.

@ISTP-cnr

Confinamento del plasma

Com’è possibile confinare, cioè contenere il plasma, imbrigliandolo lontano dalle pareti del suo contenitore per evitare che si raffreddi, perda energia, o che danneggi l’impianto?

Sulle stelle il plasma è confinato dall’intenso campo gravitazionale generato dalla sua massa. Sulla Terra non esistono campi gravitazionali di tale intensità; si utilizzano invece intensi campi magnetici in grado di confinare il plasma.
Questa soluzione pone tuttavia degli problemi tecnologici molto complessi legati in particolare alle temperature che passano, in pochi metri, dai 150 milioni di gradi cui deve arrivare il plasma, a temperature molto basse, prossime allo zero assoluto, necessarie al funzionamento dei magneti superconduttori che circondano il plasma.

Raggiungere un buon confinamento del plasma è quindi un aspetto di fondamentale importanza nei reattori a fusione cui la ricerca cerca di dare risposta attraverso approcci diversi.

Le due linee di ricerca maggiormente perseguite sono il confinamento magnetico ed il confinamento inerziale.

Nel confinamento inerziale si utilizzano fasci laser ad alta potenza o fasci di particelle energetiche che da diverse direzioni bombardano contemporaneamente una sfera cava di deuterio e trizio allo stato liquido, generando un plasma sulla sua superficie. La regione interna della sfera viene quindi sottoposta a progressiva compressione verso il centro finche la densità all’interno non raggiunge valori elevatissimi e una temperatura di ignizione pari a circa 100 milioni di gradi Kelvin, ma con un tempo di confinamento molto breve.

Nel confinamento magnetico, il plasma viene confinato da campi magnetici che attraversano il plasma. Il Deuterio e Trizio che sono particelle cariche, sentono il campo magnetico e lo seguono mantenerdosi così lontano dalle pareti del contenitore.

Il campo magnetico viene generato attraverso correnti elettriche che vengono fatte fluire in grandi bobine poste intorno alla camera da vuoto che contiene il plasma.

Per ottenere un migliore confinamento del moto delle particelle del plasma ed evitare derive verso le pareti, si sono studiate diverse configurazioni del campo magnetico – tokamak, stellarator e reversed field pinch – tali da formare linee di campo che, come le rotaie per il treno, mantengono la traiettoria delle particelle lontane dalle pareti. Le linee di campo si avvolgono in un’elica nella ciambella del plasma con diverse geometrie.

Il Consorzio RFX partecipa al programma europeo di ricerche sulla fusione a confinamento magnetico. Vediamo come.


James Roberts, ingegnere meccanico all’UKAKEA, ci racconta che la ricerca sulla fusione sta progredendo con approcci scientifici diversi e scelte tecnologiche più o meno complesse. Buona visione