La macchina che riesce ad imitare il Sole: la svolta che ci avvicina all'energia pulita definitiva
La possibilità di produrre energia nucleare dalla fusione si avvicina. Questa energia viene definita “pulita” poiché produce scorie a impatto ambientale molto più basso rispetto alla fissione finora utilizzata nelle centrali nucleari. Chiariamo in cosa si distinguono i due processi.
La fusione nucleare è il processo con cui il Sole produce la sua energia. Questa energia nucleare viene chiamata “pulita” per distinguerla da quella “sporca”, che è l’unica che finora riusciamo a produrre nelle centrali nucleari con la fissione. In effetti, anche l’energia da fusione è sporca ma con un impatto ambientale molto più basso. Se le scorie della fissione rimangono radioattive per migliaia di anni, quelle della fusione per pochi decenni.
Vediamo più in dettaglio in cosa consistono questi due processi, prima di parlare degli ultimi progressi tecnologici per ottenere la fusione in laboratorio.
Cos’è la fissione nucleare che realizziamo nelle centrali
Nelle centrali nucleari l’energia viene prodotta con il processo della fissione. Si colpisce con un proiettile (un neutrone ad altissima velocità) un nucleo di uranio-235 o di plutonio-239. A seguito dell’urto il nucleo si spacca generando grandi quantità di energia.
Tuttavia, i frammenti in cui si è spaccato il nucleo sono elementi altamente radioattivi (isotopi dello iodio, stronzio, tecnezio e cesio), cioè emettono per migliaia di anni protoni ed elettroni ad alta energia e raggi gamma, estremamente pericolosi per gli esseri viventi.
Lo smaltimento di queste scorie, oltre alla sicurezza della stessa centrale, è il problema più grande legato alla produzione di energia nucleare per fissione.
Cos’è la fusione nucleare che avviene nel Sole
Nel processo di fusione nucleare nel nucleo del Sole, 4 nuclei di idrogeno (cioè 4 protoni) si fondono formando un nucleo di elio. Questa fusione produce energia ma anche neutroni. Questi, contenenti tanta energia (cinetica), vengono catturati con materiali speciali in modo da recuperarne l’energia ma diventando radioattivi. Tuttavia, essi rimangono radioattivi solo per poche decine di anni.
Se la fusione ha un impatto ecologico minimo e di breve durata, perché non la si preferisce alla fissione?
Qui arriviamo al nocciolo del problema.
Perché è difficile la fusione nucleare in laboratorio
Al centro del Sole la densità dei nuclei di idrogeno è elevatissima, 150 g/cm3, circa 150 volte superiore a quella dell’acqua. Quindi, i nuclei di idrogeno sono relativamente vicini e grazie alla loro elevata velocità (dovuta ai 15 milioni di gradi di temperatura del nucleo solare) riescono a urtarsi e (superando la reciproca repulsione essendo tutti carichi positivamente) grazie all'effetto tunnel riescono fondersi. Altra cosa importante, non c'è fretta che l'urto avvenga, i nuclei hanno dai milioni ai miliardi di anni di tempo disponibile, poiché elevate densità e temperature nel nucleo solare si mantengono per miliardi di anni.
Nei laboratori in cui si prova a generare la fusione, precisamente in macchine chiamate tokamak (cioè reattori che generano campi magnetici toroidali), le condizioni di densità sono ben diverse da quelle del nucleo del Sole. La densità del plasma è bassa, tra i 10 e i 100 miliardi di volte più bassa che nel Sole, per cui la distanza tra i nuclei è circa 5000 volte maggiore. Questo rende impossibile urti e fusioni tra nuclei di idrogeno. Allora, per permettere la fusione si deve aumentare la velocità dei nuclei e questo è possibile aumentando la temperatura fino a 150 milioni di gradi. In questo modo con la maggiore velocità si compensa (ma solo in parte) la minore densità.
Ma qui sorgono altri due problemi. Il primo è come confinare questo plasma caldissimo, non esiste nulla che resista a tali temperature. Si utilizza allora un confinamento magnetico, il plasma è confinato in uno spazio ristretto generando un potentissimo campo magnetico. Il secondo problema è che mentre nel Sole non c'è fretta a che avvenga l'urto e la fusione, il tokamak riesce a mantenere una temperatura di 150 milioni di gradi ed il confinamento magnetico per meno di 1 secondo.
Sono questi i due problemi da risolvere su cui si sta focalizzando la ricerca sulla fusione nucleare in laboratorio.
Si cercano modi per ottenere elevatissime velocità senza dover riscaldare il plasma a tali temperature e modalità di confinamento diverse che possano mantenere le condizioni necessarie per la fusione per tempi più lunghi.
Ma ancor prima, si cerca di avere un processo in cui l'energia prodotta sia maggiore di quella necessaria per avviare la fusione: energia per raggiungere 150 milioni di gradi ed energia per generare un campo magnetico in grado di confinare il plasma.
Il tokamak ITER
Tra i progetti in corso più promettenti c'è ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). E’ un progetto cui partecipano 35 nazioni, Italia inclusa che tramite l'agenzia ENEA contribuisce al 7% del budget necessario, in fase di realizzazione nel sud della Francia.
Al centro di ITER ci sono 18 magneti superconduttori e un acceleratore di fasci neutri. Come in altri tokamak, invece di usare nuclei di idrogeno, si utilizzano nuclei di deuterio e trizio (isotopi dell'idrogeno) disponibili in abbondanza.
Nel 2033 è previsto l’inizio della fase di sperimentazione che dovrebbe concludersi nel 2050, quando ITER dovrebbe essere operativo producendo energia nucleare su scala industriale.
Fino ad oggi il massimo valore di rendimento, cioè l’energia prodotta rispetto a quella consumata, da ogni altra macchina sperimentale per la fusione nucleare (tokamak, stellarator, NIF, strizione o altro) non ha mai superato Q = 1.75.
Le aspettative sono di raggiungere con ITER un Q = 10.