E la fusione?

I rapporti alla fine dello scorso anno sulla costruzione di un reattore di sintesi da parte di specialisti cinesi suonavano clamorosi (1). I media statali cinesi hanno riferito che la struttura HL-2M, situata presso un centro di ricerca a Chengdu, sarà operativa nel 2020. Il tono dei resoconti dei media indicava che la questione dell'accesso all'energia inesauribile della fusione termonucleare era stata risolta per sempre.

Uno sguardo più attento ai dettagli aiuta a raffreddare l'ottimismo.

Nowy apparato di tipo tokamak, con un design più avanzato rispetto a quelli finora conosciuti, dovrebbe generare plasma con temperature superiori ai 200 milioni di gradi Celsius. Lo ha annunciato in un comunicato stampa il capo del Southwestern Institute of Physics della China National Nuclear Corporation Duan Xiuru. Il dispositivo fornirà supporto tecnico ai cinesi che lavorano al progetto Reattore sperimentale termonucleare internazionale (ITER)così come la costruzione.

Quindi penso che non sia ancora una rivoluzione energetica, anche se è stata creata dai cinesi. reattore KhL-2M finora si sa poco. Non sappiamo quale sia la potenza termica prevista di questo reattore o quali livelli di energia siano necessari per eseguire una reazione di fusione nucleare al suo interno. Non sappiamo la cosa più importante: il reattore a fusione cinese è un progetto con un bilancio energetico positivo, o è solo un altro reattore a fusione sperimentale che consente una reazione di fusione, ma allo stesso tempo richiede più energia per "l'accensione" di l'energia che può essere ottenuta come risultato delle reazioni.

Sforzo internazionale

La Cina, insieme all'Unione Europea, gli Stati Uniti, l'India, il Giappone, la Corea del Sud e la Russia, sono membri del programma ITER. Questo è il più costoso degli attuali progetti di ricerca internazionali finanziati dai paesi sopra menzionati, con un costo di circa 20 miliardi di dollari. È stato aperto come risultato della cooperazione tra i governi di Mikhail Gorbachev e Ronald Reagan durante l'era della Guerra Fredda e molti anni dopo è stato incluso in un trattato firmato da tutti questi paesi nel 2006.

2. Nel cantiere del tokamak ITER

Il progetto ITER di Cadarache, nel sud della Francia (2), sta sviluppando il più grande tokamak del mondo, ovvero una camera al plasma che deve essere domata utilizzando un potente campo magnetico generato da elettromagneti. Questa invenzione è stata sviluppata dall'Unione Sovietica negli anni '50 e '60. Responsabile del progetto, Lavan Coblenza, ha annunciato che l'organizzazione dovrebbe ricevere il "primo plasma" entro dicembre 2025. ITER dovrebbe supportare una reazione termonucleare per circa 1 mila persone ogni volta. secondi, guadagnando forza 500-1100 MW. Per fare un confronto, il più grande tokamak britannico fino ad oggi, JET (toro comune europeo), mantiene una reazione per diverse decine di secondi e guadagna forza fino a 16 MW. L'energia in questo reattore verrà rilasciata sotto forma di calore - non dovrebbe essere convertita in elettricità. Fornire energia da fusione alla rete è fuori questione poiché il progetto è solo a scopo di ricerca. È solo sulla base di ITER che verrà costruita la futura generazione di reattori termonucleari, raggiungendo la potenza 3-4 mila. MW.

Il motivo principale per cui non esistono ancora le normali centrali a fusione (malgrado oltre sessant'anni di ricerche approfondite e costose) è la difficoltà di controllare e "gestire" il comportamento del plasma. Tuttavia, anni di sperimentazione hanno prodotto molte scoperte preziose e oggi l'energia di fusione sembra più vicina che mai.

Aggiungere l'elio-3, mescolare e scaldare

ITER è l'obiettivo principale della ricerca globale sulla fusione, ma molti centri di ricerca, aziende e laboratori militari stanno lavorando anche ad altri progetti di fusione che si discostano dall'approccio classico.

Ad esempio, condotto negli ultimi anni su dal Massachusetts Institute of Technology esperimenti con Helem-3 sul tokamak ha dato risultati entusiasmanti, tra cui decuplicare di energia ione plasma. Scienziati che hanno condotto esperimenti sul tokamak C-Mod presso il Massachusetts Institute of Technology, insieme a specialisti belgi e britannici, hanno sviluppato un nuovo tipo di combustibile termonucleare contenente tre tipi di ioni. Squadra Alcator C-Mod (3) ha condotto uno studio nel settembre 2016, ma i dati di questi esperimenti sono stati analizzati solo di recente, rivelando un enorme aumento dell'energia del plasma. I risultati sono stati così incoraggianti che gli scienziati che gestiscono il più grande laboratorio di fusione operativo del mondo, JET nel Regno Unito, hanno deciso di ripetere gli esperimenti. Lo stesso aumento di energia è stato ottenuto. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Nature Physics.

3. Tokamak Alcator C-Mod in funzione

La chiave per aumentare l'efficienza del combustibile nucleare è stata l'aggiunta di tracce di elio-3, un isotopo stabile dell'elio, con un neutrone invece di due. Il combustibile nucleare utilizzato nel metodo Alcator C in precedenza conteneva solo due tipi di ioni, deuterio e idrogeno. Il deuterio, un isotopo stabile dell'idrogeno con un neutrone nel suo nucleo (al contrario dell'idrogeno senza neutroni), costituisce circa il 95% del carburante. Gli scienziati del Plasma Research Center e del Massachusetts Institute of Technology (PSFC) hanno utilizzato un processo chiamato Riscaldamento a radiofrequenza. Le antenne accanto al tokamak utilizzano una specifica radiofrequenza per eccitare le particelle e le onde sono calibrate per "prendere di mira" gli ioni idrogeno. Poiché l'idrogeno costituisce una piccola frazione della densità totale del combustibile, concentrare solo una piccola frazione degli ioni sul riscaldamento consente di raggiungere livelli di energia estremi. Inoltre, gli ioni idrogeno stimolati passano agli ioni deuterio prevalenti nella miscela e le particelle così formate entrano nel guscio esterno del reattore, rilasciando calore.

L'efficienza di questo processo aumenta quando gli ioni elio-3 vengono aggiunti alla miscela in una quantità inferiore all'1%. Concentrando tutto il riscaldamento radio su una piccola quantità di elio-3, gli scienziati hanno portato l'energia degli ioni a megaelettronvolt (MeV).

Primo arrivato, primo servito Equivalente in russo: Mangiare ospite in ritardo e ossa

Ci sono stati molti sviluppi nel mondo del lavoro sulla fusione controllata negli ultimi anni che hanno riacceso le speranze degli scienziati e di tutti noi di raggiungere finalmente il "Santo Graal" dell'energia.

Buoni segnali includono, tra l'altro, le scoperte del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Le onde radio sono state utilizzate con grande successo per ridurre significativamente le cosiddette perturbazioni del plasma, che possono essere cruciali nel processo di "travestimento" delle reazioni termonucleari. Lo stesso gruppo di ricerca nel marzo 2019 ha riportato un esperimento di tokamak al litio in cui le pareti interne del reattore di prova erano rivestite di litio, un materiale ben noto per le batterie comunemente utilizzate nell'elettronica. Gli scienziati hanno notato che il rivestimento al litio sulle pareti del reattore assorbe le particelle di plasma sparse, impedendo loro di essere riflesse nella nuvola di plasma e interferendo con le reazioni termonucleari.

4. Visualizzazione del progetto TAE Technologies

Gli studiosi delle principali rinomate istituzioni scientifiche sono persino diventati cauti ottimisti nelle loro dichiarazioni. Recentemente, c'è stato anche un enorme aumento di interesse per le tecniche di fusione controllata nel settore privato. Nel 2018, Lockheed Martin ha annunciato un piano per lo sviluppo di un prototipo di reattore a fusione compatto (CFR) entro il prossimo decennio. Se la tecnologia su cui l'azienda sta lavorando funziona, un dispositivo delle dimensioni di un camion sarà in grado di fornire elettricità sufficiente per soddisfare le esigenze di un dispositivo di 100 piedi quadrati. abitanti delle città.

Altre aziende e centri di ricerca sono in competizione per vedere chi può costruire il primo vero reattore a fusione, tra cui TAE Technologies e il Massachusetts Institute of Technology. Anche Jeff Bezos di Amazon e Bill Gates di Microsoft sono stati recentemente coinvolti in progetti di fusione. NBC News ha recentemente contato diciassette piccole società di sola fusione negli Stati Uniti. Startup come General Fusion o Commonwealth Fusion Systems si stanno concentrando su reattori più piccoli basati su superconduttori innovativi.

Il concetto di "fusione fredda" e alternative ai grandi reattori, non solo i tokamak, ma anche i cosiddetti. stellari, con un design leggermente diverso, costruito anche in Germania. Continua anche la ricerca di un approccio diverso. Un esempio di questo è un dispositivo chiamato pizzico Z, costruito dagli scienziati dell'Università di Washington e descritto in uno degli ultimi numeri della rivista Physics World. Lo Z-pinch funziona intrappolando e comprimendo il plasma in un potente campo magnetico. Nell'esperimento è stato possibile stabilizzare il plasma per 16 microsecondi e la reazione di fusione è andata avanti per circa un terzo di questo tempo. La dimostrazione avrebbe dovuto dimostrare che la sintesi su piccola scala è possibile, sebbene molti scienziati nutrano ancora seri dubbi al riguardo.

A sua volta, grazie al supporto di Google e di altri investitori di tecnologia avanzata, la società californiana TAE Technologies utilizza un metodo diverso, rispetto a quello tipico degli esperimenti di fusione, miscela di boro, che sono stati utilizzati per sviluppare reattori più piccoli ed economici, inizialmente ai fini del cosiddetto motore a razzo a fusione. Un prototipo di reattore a fusione cilindrica (4) con controfasci (CBFR), che riscalda l'idrogeno gassoso per formare due anelli di plasma. Si combinano con fasci di particelle inerti e sono mantenuti in tale stato, che dovrebbe contribuire ad aumentare l'energia e la durata del plasma.

Un'altra startup fusion, General Fusion, della provincia canadese della British Columbia, gode del supporto dello stesso Jeff Bezos. In poche parole, il suo concetto è quello di iniettare plasma caldo in una sfera di metallo liquido (una miscela di litio e piombo) all'interno di una sfera d'acciaio, dopodiché il plasma viene compresso da pistoni, in modo simile a un motore diesel. La pressione creata dovrebbe portare alla fusione, che rilascerà un'enorme quantità di energia per alimentare le turbine di un nuovo tipo di centrale elettrica. Mike Delage, chief technology officer di General Fusion, afferma che la fusione nucleare commerciale potrebbe debuttare tra dieci anni.

5. Illustrazione tratta da un brevetto termonucleare della US Navy.

Di recente, anche la Marina degli Stati Uniti ha depositato un brevetto per un "dispositivo di fusione al plasma". Il brevetto parla di campi magnetici per creare "vibrazioni accelerate" (5). L'idea è di costruire reattori a fusione abbastanza piccoli da essere portatili. Inutile dire che questa domanda di brevetto è stata accolta con scetticismo.