La fusione nucleare è fredda o calda: scegli il tuo aggettivo preferito. Questo articolo fa parte della nostra serie sulla fusione. Leggi l'articolo principale sulla fusione qui . Desideri saperne di più sull'aspetto della commercializzazione della fusione? Ottieni tutti i dettagli qui .

Di Iris ten Have , Eshel Lipman e Torben Schreiter

Ci sono molte ragioni per cui le persone si entusiasmano per la fusione nucleare. Per noi, si riduce a quattro:

1. Senza carbonio . Fusion non emette CO2; gli unici sottoprodotti delle reazioni di fusione sono piccole quantità di elio.
2. Qualità energetiche del carico di base . La fusione potrebbe fornire energia 24 ore su 24, 7 giorni su 7 (a differenza dell'eolico e del solare, che sono entrambi intermittenti e avrebbero bisogno di stoccaggio).
3. Il combustibile da fusione è abbondante e accessibile . La fusione potrebbe coprire il fabbisogno elettrico annuo di una famiglia tedesca (±3000 kWh) con il deuterio presente in 45 litri d'acqua e il litio di una vecchia batteria per laptop. In pratica, è un po' più complicato, ma ci arriveremo più avanti nell'articolo.
4. Densità energetica . La fusione potrebbe generare quasi quattro milioni di volte più energia per chilogrammo di combustibile rispetto alla combustione di petrolio o carbone .

Quindi cos'è la fusione? Iniziamo con una semplice spiegazione poiché la maggior parte di noi non è esperta di fisica del plasma. La fusione è il processo di combinazione di due atomi in uno rilasciando una grande quantità di energia. Il deuterio e il trizio, essenzialmente forme più pesanti di idrogeno, sono i combustibili di fusione più comuni. Mentre l'idrogeno è costituito da un protone caricato positivamente circondato da un elettrone caricato negativamente , il nucleo del deuterio contiene un neutrone aggiuntivo (particella carica neutra) e il nucleo del trizio ha due neutroni. Quando questi due si fondono, si formano l'elio e un neutrone e viene rilasciata un'enorme quantità di energia.

Perché la fusione rilascia così tanta energia? Per capirlo meglio, dovremmo guardare la famosa formula di Albert Einstein E=mc^2 . E sta per energia, m sta per massa e c è una costante che indica la velocità della luce (3 x 10^8 metri al secondo). L'equazione di Einstein rivela che l'energia e la massa sono correlate l'una all'altra. Quando la velocità della luce al quadrato ( c^2 ) viene moltiplicata per la massa di un sistema, si ottiene l'energia di quel sistema. Ciò rivela che una piccola quantità di massa può essere convertita in un'enorme quantità di energia.

L'energia di legame nucleare consente il rilascio di questa enorme quantità di energia, che è correlata a un concetto chiamato "difetto di massa". Questo concetto ci dice che la massa del nucleo di un atomo (nucleo) è minore che se le particelle di cui è fatto il nucleo (nucleoni) fossero separate. Questo potrebbe sembrare un po' astratto inizialmente, ma in relazione alla fusione, significa effettivamente che il deuterio e il trizio insieme sono più pesanti dell'elio e di un neutrone insieme, e la differenza di massa moltiplicata per c^2 (la velocità della luce) dà il legame nucleare energia che è la quantità di energia rilasciata. Guarda l'illustrazione qui sotto:

Sebbene il concetto sembri semplice, consentire reazioni di fusione nucleare nella pratica richiede un certo sforzo. I fisici del plasma lo fanno attraverso una combinazione di tre parametri: densità (n), temperatura (T) e tempo di confinamento (τE) . Generalmente, come punto di riferimento del progresso, viene utilizzato il triplo valore del prodotto (nTτE), un termine scientifico che rappresenta il valore combinato della densità del plasma, del tempo di confinamento del plasma e della temperatura. Un reattore a fusione deve raggiungere una densità di particelle di combustibile, un tempo di confinamento e temperature del plasma critici (criteri di Lawson) per ottenere una produzione di energia netta positiva.

Ad un certo valore del triplo prodotto, detto accensione , la reazione diventa autosufficiente: il calore generato dalla reazione è sufficiente a mantenere caldo il plasma in modo da poter spegnere i sistemi di riscaldamento esterni. Diamo un'occhiata più da vicino ai parametri essenziali per la fusione.

1. Temperatura (T)

Maggiore è la temperatura, più energetiche diventano le particelle. A temperature sufficientemente elevate, le energie delle particelle possono superare la repulsione elettrostatica e avvicinarsi abbastanza l'una all'altra da fondersi. Questo è noto come accensione termonucleare e spinge il materiale in uno stato chiamato plasma.

Il plasma è il quarto stato della materia in cui gli elettroni non sono legati agli atomi. Esistono invece liberi in presenza di un campo elettrico. Ciò si traduce in un gas altamente elettricamente conduttivo che può essere utilizzato per confinare e controllare le reazioni di fusione. Per avviare qualsiasi reazione di fusione nucleare, il combustibile di fusione deve essere riscaldato utilizzando fonti esterne.

2. Densità (n)

La densità si riferisce al numero di particelle in un dato volume. Più particelle ci sono in un dato volume, maggiore è la possibilità che si scontrino e si fondano. Perché la fusione avvenga, deve essere raggiunta una certa massa critica. Questo è noto come il limite di Chandrasekhar .

Nella parte successiva, condivideremo diversi modi per aumentare la densità del combustibile di fusione. Nella maggior parte dei casi, la densità viene aumentata da forti campi magnetici o dall'alta pressione indotta da potenti laser.

3. Tempo di reclusione (τE)

Il tempo di confinamento o tempo di confinamento dell'energia indica la velocità con cui il plasma confinato perde energia nel suo ambiente. Il parametro di confinamento è particolarmente importante perché definisce il tempo durante il quale il plasma è autosostenuto ad una temperatura superiore alla temperatura critica di accensione. Per ottenere dalla fusione più energia di quanta ne sia stata investita nel riscaldamento del plasma, il plasma deve essere mantenuto a questa temperatura per un certo tempo minimo.

I tre parametri di cui sopra ci aiuteranno a raggiungere il Santo Graal generale nella fusione: ottenere più energia di quanta ne immettiamo.

Mentre l'ottenimento di energia netta dalla fusione nucleare è principalmente guidato da considerazioni fisiche , la costruzione di un vero reattore è principalmente ingegneristica. Attualmente, i dispositivi di fusione sono di grandi dimensioni. Ad esempio, durante la nostra immersione profonda sulla fusione, abbiamo visitato Wendelstein 7-X, che è alto 3,5 me ha un diametro di 11 m . Certamente impressionante, ma non un tipo di dispositivo nel tuo cortile. Fortunatamente, le dimensioni del dispositivo sono determinate da considerazioni tecnologiche e ingegneristiche, il che rende possibile lo sviluppo di dispositivi più piccoli. Detto questo, diamo un'occhiata ai progetti promettenti per i dispositivi di fusione nella prossima sezione.

Sfruttare il potere delle stelle: quattro approcci tradizionali per creare confinamento nella fusione

Allora perché la fusione nucleare avviene spontaneamente nel sole, ma non sulla Terra? Il sole è circa 330.000 volte più grande della Terra e quindi molto più pesante. Ciò si traduce in forze gravitazionali molto forti che inducono naturalmente la fusione. Poiché la Terra è molto più leggera del Sole, non abbiamo queste forze gravitazionali. Pertanto, per compensare la mancanza di gravità durante la creazione di una fusione nucleare autosufficiente sulla Terra, abbiamo bisogno di temperature estremamente elevate (>100 milioni di gradi Celsius), un lungo tempo di confinamento e una certa densità per aumentare la probabilità di fusione nucleare. reazioni avvengano. Infatti, le temperature necessarie sulla Terra per creare le condizioni per la fusione nucleare devono essere circa 7 volte superiori a quelle al centro del nostro sole.

Come creiamo artificialmente queste condizioni?

Guardando il sole, la prima cosa a cui potresti pensare è il riscaldamento. Sebbene i sistemi di riscaldamento esterni siano certamente necessari per avviare le reazioni di fusione nucleare, la densità del plasma e il tempo di confinamento sono più difficili da ottenere rispetto al riscaldamento. Pertanto, ci concentreremo principalmente sui metodi per creare un'elevata densità di plasma mediante compressione e metodi relativi al tempo di confinamento. I quattro approcci più comuni per facilitare la fusione nucleare sono tokamak, stellarator, Z-pinch e laser. Diamo un'occhiata più da vicino a ciascuno di essi.

Tokamak

Il tokamak è il tipo più comune di dispositivo di confinamento magnetico. Utilizza una camera toroidale (a forma di ciambella) e fa affidamento su forti campi magnetici per confinare il plasma. Inoltre, la forma ad anello è stata tradizionalmente progettata per ridurre la quantità di particelle energetiche (cioè “particelle alfa” o “nuclei di elio”) che sfuggono al confinamento, che avviene nei reattori lineari. La forma ad anello mantiene continua la corrente del plasma.

Il tokamak più famoso oggi è probabilmente l' International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) . Attualmente in costruzione in Francia, questo è il più grande dispositivo tokamak fino ad oggi ed è destinato a dimostrare la fattibilità dell'energia di fusione entro la fine del decennio.

I tokamak, in teoria, sono dispositivi relativamente semplici e hanno dimostrato di funzionare bene nell'impostazione del palcoscenico di base e nell'avvicinarsi all'accensione. Sono inoltre regolabili e modificabili sia nelle dimensioni che nel volume. Ciò facilita la complessità del raggiungimento di temperature molto elevate e fornisce un approccio per affrontare la difficoltà di raggiungere forti campi magnetici che costringono all'uso di costosi e complessi superconduttori. Tuttavia, uno dei principali problemi di progettazione è che il controllo della turbolenza all'interno del plasma è difficile perché le particelle alfa tendono a voler "lasciare" velocemente il reattore, il che causa significative perdite di efficienza.

Aziende importanti : Commonwealth Fusion Systems e Tokamak Energy .

Stellarator

Lo stellarator è un altro tipo di dispositivo di confinamento magnetico. Utilizza una geometria della camera simile ma con magneti più complessi disposti in modo tale - elicoidale - da annullare alcune delle forze indesiderate che agiscono sul plasma. Ciò li rende più difficili e costosi da costruire, ma presentano numerosi potenziali vantaggi rispetto ai tokamak, tra cui una migliore stabilità, una ridotta turbolenza indesiderata e migliori prestazioni alle alte temperature. Wendelstein 7-X , situato a Greifswald, in Germania, è il più grande dispositivo di fusione del mondo del tipo stellarator.

Sebbene Wendelstein sia il più grande dispositivo di fusione, in realtà manca una coperta di litio, che sarebbe necessaria per raccogliere energia. È progettato solo per scopi di ricerca. Per generare energia, l'intero dispositivo dovrebbe essere completamente riprogettato poiché il raggio dello stellarator dovrebbe aumentare di circa 1 m per adattarsi alla coperta di litio. Di conseguenza, dovrebbero essere progettate e costruite nuove bobine elicoidali, perché devono essere posizionate all'esterno del caucciù. Ciò significa effettivamente che Wendelstein è, per progettazione, incapace di generare energia.

Gli stellarator sono simili ai tokamak nel senso che sono entrambi progettati per supportare processi continui. Il flusso di plasma genera costantemente neutroni, che alla fine vengono catturati da una coltre di litio che riveste i lati del recipiente del reattore. Tutti i prototipi di reattori a fusione esistenti (tokamak e stellarator) sono stati costruiti senza coperte di litio per semplificare l'installazione. Pertanto, è impossibile convertire effettivamente l'energia in elettricità con questi prototipi. Con le coperte di litio in posizione, parte del calore generato verrà utilizzato per creare elettricità e questo design consente inoltre la formazione di trizio e consente il costante rifornimento del combustibile di fusione. C'è però un problema: solo l'isotopo meno comune del litio, Li-6, è adatto sia per il trasferimento di calore che per la produzione di trizio. Il litio presente in natura è costituito principalmente da Li-7, non favorevole alla reazione, e contiene solo il 2–8% di Li-6 . Dato che un'efficace coperta al litio dovrà contenere almeno il 40% di Li-6 , ciò potrebbe causare problemi alla catena di approvvigionamento.

Aziende importanti : Princeton Stellarators e Type One Energy.

Pizzico Z

Z-pizzichiutilizzare un approccio diverso per creare il confinamento magnetico. Utilizzando correnti elettriche che scorrono attraverso il plasma stesso, il plasma conduttore genera di conseguenza forti campi magnetici. Questi campi creano forze enormi, spingendo il plasma più all'interno verso il centro del contenitore in cui è contenuto. Questo processo di compressione è descritto come un "pizzico". Teoricamente, questo pizzico può creare condizioni che si qualificano come reclusione. Se il pellet di combustibile si trova nella giusta posizione, questa forza ha il potenziale per innescare la fusione. Tuttavia, nel momento in cui si verifica il pizzicotto, i campi magnetici cambiano e alla fine collassano, determinando un tempo di confinamento molto breve. La sfida con tempi di confinamento brevi è che il sistema deve raggiungere temperature e densità ancora più elevate (quando operiamo a un τE inferiore, abbiamo bisogno di valori più elevati per n &

Azienda degna di nota : Zap Energy .

Laser

I laser possono creare condizioni di fusione utilizzando il loro raggio ad alta energia per riscaldare e comprimere una piccola pallina di combustibile. Un esempio di ciò è il recente risultato di NIF . I reattori a fusione basati su laser essenzialmente mantengono il combustibile in posizione mentre viene fatto esplodere per ottenere la fusione .

Ciò che distingue il confinamento basato sul laser dai tokamak o dagli stellarator è principalmente il modo in cui il carburante viene distribuito. Mentre nel confinamento magnetico il combustibile sarà distribuito in tutta la camera, un reattore basato su laser richiede la produzione di speciali pastiglie di combustibile al deuterio-trizio e l'inserimento di ogni pastiglia nello specifico punto di convergenza di tutti i laser nella camera di accensione .

Aziende importanti : General Fusion, Fuse e Marvel Fusion

Altri approcci (e sotto-approcci) si basano su stellarator modificati o altri sistemi che utilizzano sia il confinamento inerziale che magnetico, come le configurazioni con inversione di campo.

Per riassumere, di seguito è riportata una mappa del mercato di istituzioni accademiche e aziende selezionate che lavorano sulla fusione nucleare. Vuoi saperne di più sull'aspetto della commercializzazione della fusione? Ottieni tutti i dettagli qui .

Mille grazie alla dottoressa Angie Qarry per averci aiutato a comprendere la scienza e la tecnologia della fusione calda.

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