{"id":2275,"date":"2016-11-26T19:05:54","date_gmt":"2016-11-26T18:05:54","guid":{"rendered":"http:\/\/ledspadova.eu\/?p=2275"},"modified":"2018-04-06T09:25:34","modified_gmt":"2018-04-06T07:25:34","slug":"fusione-termonucleare","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ledspadova.eu\/en\/2016\/11\/fusione-termonucleare\/","title":{"rendered":"Fusione termonucleare"},"content":{"rendered":"

Sorry, this entry is only available in Italian<\/a>.<\/p>

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Una fonte di energia priva di emissioni, sicura, economica, efficace, ed illimitata: questa rappresenta per tutti un\u2019utopia che porrebbe fine a gran parte delle problematiche legate all\u2019utilizzo di fonti esauribili ed inquinanti (in particolare fonti fossili).<\/p>\n

Un processo che presenta praticamente tutti questi vantaggi \u00e8 stato concepito fin dagli anni ’30: incoraggiati dagli enormi progressi ottenuti nel campo della fisica teorica (grazie alle equazioni di Einstein), gli scienziati pensavano di poter riprodurre in modo controllato le reazioni che avvengono nei nuclei delle stelle; infatti, a seguito della fusione a catena de nuclei di Idrogeno (reazione protone-protone), un\u2019enorme quantit\u00e0 d\u2019energia (in forma di radiazioni \u03b3 e neutrini) viene liberata per difetto di massa [1]<\/a>. Idealmente, lo stesso processo pu\u00f2 essere replicato sulla Terra, all\u2019interno di uno speciale reattore, forzando artificialmente la fusione tra nuclei atomici leggeri (quali Deuterio e Trizio), in modo da poter sfruttare l\u2019energia ed il calore sviluppati dalla reazione. Ma perch\u00e9 questo sia possibile occorre verificare una serie di condizioni delicate.<\/p>\n

Innanzitutto, per riuscire ad avvicinare gli atomi al punto da poterli fondere, \u00e8 necessario che essi siano separati dai loro elettroni, ovvero che siano presenti allo stato di plasma. Questa trasformazione, per essere innescata, richiede un’elevata energia, in particolare energia termica, con il raggiungimento di temperature dell\u2019ordine delle decine\/centinaia di milioni di gradi. Poi, ovviamente, occorre avvicinare fisicamente i nuclei per dare il via alla loro fusione (che invece nelle stelle avviene spontaneamente per via dell’enorme pressione gravitazionale che comprime il nocciolo [2]<\/a>). Il plasma presente sulla Terra (sotto forma, ad esempio, di luce fluorescente e fiamme), invece, risulta troppo freddo e \u201ccontaminato\u201d per poter ospitare reazioni di fusione, per il semplice fatto di essere a contatto diretto con l’ambiente esterno.<\/p>\n

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Il Tokamak<\/h2>\n

Ecco quindi la sfida che ha impegnato migliaia di ricercatori e ingegneri: creare un sistema che riesca a mantenere le giuste condizioni del plasma, evitandone il contatto fisico con qualunque componente esterno. Una delle tante soluzioni pensate \u00e8 concettualmente semplice e si basa sulle propriet\u00e0 elettriche del plasma; un sistema di gas ionizzati, infatti, essendo composto da cariche libere, assume le caratteristiche di un superconduttore e risente quindi di forze di Lorentz quando \u00e8 percorso da corrente o \u00e8 immerso in un campo magnetico.<\/p>\n

Queste forze possono essere indotte appositamente per fare \u201clevitare\u201d il plasma all’interno di una camera di contenimento toroidale [3]<\/a>, nella quale \u00e8 stato precedentemente creato il vuoto, e per imporgli una traiettoria tale da evitare il contatto con le pareti laterali della camera. Questo \u00e8 il modello su cui si basano i cosiddetti Tokamak, o reattori toroidali, come JET e ITER. <\/p>\n

Fino ad oggi gli scienziati sono riusciti a portare il plasma a temperature dell’ordine delle decine di milioni di gradi, facendovi circolare una corrente degli ordini dei MA (riscaldandolo quindi per effetto Joule), e con l’ausilio di tecniche quali l’iniezione di particelle neutre esterne, che provocano ulteriori urti nel plasma stesso, aumentandone ancora la temperatura, o il riscaldamento elettromagnetico a radiofrequenza (RF).<\/p>\n

Un reattore termonucleare che sfrutta queste tecnologie, dunque, necessita di essere costantemente alimentato da una rete elettrica esterna ad elevata potenza; ci\u00f2 significa che la fusione potr\u00e0 diventare una fonte pienamente sostenibile solo se riuscir\u00e0 a rendere molta pi\u00f9 energia di quella che richiede per mantenere i processi attivi.<\/p>\n

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La fattibilit\u00e0 della fusione come fonte di energia<\/h2>\n

Esiste una formula che esprime la qualit\u00e0 della reazione in questo senso: il cosiddetto triplo prodotto, moltiplicazione della densit\u00e0 particellare del plasma, la sua temperatura ed il tempo di confinamento. Per la fusione di Deuterio e Trizio, se il triplo prodotto risulta maggiore di 5\u00d71021<\/sup> m-3<\/sup>\u00b7s\u00b7KeV, la reazione determina una resa netta di energia. Il breakeven point non \u00e8 stato ancora raggiunto (il massimo rapporto tra potenza resa e potenza fornita al sistema \u00e8, ad oggi, 0.65). Il prodotto dei primi due termini (densit\u00e0 e temperatura) altro non \u00e8 che una pressione, che incide sulla velocit\u00e0 di reazione. Il rendimento del processo, quindi, dipende per due terzi dalla pressione del plasma: del resto, si constata sperimentalmente che la potenza resa dal sistema varia approssimativamente con il suo quadrato.<\/p>\n

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Un grande passo avanti a pressione record<\/h2>\n

Ecco che allora una squadra di scienziati ed ingegneri del Plasma Science and Fusion Center del MIT ha stabilito il 30 settembre scorso un nuovo record di 2 atm tramite un campo magnetico di 5,7 T, facendo circolare nel plasma 1,4\u00d7106<\/sup> A e riscaldandolo fino a 35 milioni di gradi Celsius tramite radiofrequenze.<\/p>\n

Il reattore utilizzato \u00e8 Alcator C-mod, un Tokamak il cui funzionamento \u00e8 caratterizzato, rispetto ad altri reattori dello stesso tipo (quali ITER e JET), dall’insorgenza di campi magnetici molto elevati (fino a 8 Tesla) ed \u00e8 lo stesso reattore cha ha stabilito nel 2005 il record precedente di 1,77 atm. \u00c8 proprio l’elevato campo magnetico a cui si deve gran parte del record. Infatti, pi\u00f9 alta \u00e8 la temperatura (e quindi la pressione), pi\u00f9 il plasma diventa instabile e quindi maggiori sono i rischi di perdite (con conseguente raffreddamento). L’efficacia di confinamento, e quindi l’entit\u00e0 del campo magnetico, va a braccetto con la pressione del plasma.<\/p>\n

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Fonte: MIT Plasma Science and Fusion Center<\/p><\/div>\n

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Performance passate e previsioni per il futuro<\/h2>\n

Si prevede che il record potr\u00e0 essere battuto solo nel 2032 da ITER (il cui volume sar\u00e0 800 volte quello del C-mod, ma che lavorer\u00e0 a campi magnetici pi\u00f9 deboli) con il raggiungimento di 2,6 atmosfere. Le prestazioni record di Alcator C-mod hanno spinto la ricerca verso un approccio ad elevato campo magnetico (high magnetic field approach), fortemente sostenuto da scienziati quali Prof. Riccardo Betti (Ingegneria Meccanica, Fisica ed Astronomia, Universit\u00e0 di Rochester) e Dale Meade (di Princeton Plasma Physics Laboratory), il cui focus \u00e8 lo studio di materiali superconduttori ad alte temperature di esercizio, che permetterebbero di conseguire a campi magnetici ancora pi\u00f9 forti, a parit\u00e0 di corrente di alimentazione. Ad esempio, i nastri superconduttivi di REBCO (‘barium copper oxide’), sviluppati di recente, svilupperebbero un campo magnetico di 9,2 T lungo l’asse della camera di confinamento, migliorando le caratteristiche del plasma e determinando anche un guadagno dal punto di vista elettrico. Con l’impiego di questi materiali inoltre si potr\u00e0 ottenere la fusione entro Tokamak di dimensione pi\u00f9 ridotta, come proposto dal MIT per i reattori compatti ARC<\/a>.<\/p>\n

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[1]<\/a> I prodotti della reazione a catena sono nuclidi via via pi\u00f9 pesanti (isotopi di Elio, Berillio, Litio) e particelle subatomiche, quali elettroni, positroni e neutrini<\/span>
\n [2]<\/a> Nel nucleo del Sole, ad esempio, si pensa che la pressione possa raggiungere 5\u00b71011<\/sup> atm<\/span>
\n [3]<\/a> Il toroide presenta una geometria ideale essendo privo di pareti terminali con cui il plasma potrebbe scontrarsi<\/span><\/p>\n

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Riferimenti:<\/h3>\n