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livello elementare.
ARGOMENTO: SVILUPPI DELLA SCIENZA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: ENERGIA
parole chiave: Fusione nucleare
Il 4 novembre 2022 era stato pubblicato su Physical Review letters, un articolo, Increased Ion Temperature and Neutron Yield Observed in Magnetized Indirectly Driven 2- Filled Capsule Implosions on the National Ignition Facility di J. D. Moody et al. che sosteneva la tesi che l’applicazione di un potente campo magnetico avrebbe potuto aumentare significativamente le prestazioni di una reazione di fusione nucleare, generando energia pulita.
E’ notizia di questi ultimi giorni che alcuni scienziati statunitensi del Livermore Lab hanno condotto con successo un esperimento di fusione nucleare con un guadagno netto di energia del 20%.
Che cos’è la fusione nucleare?
La fusione nucleare è una reazione nella quale i nuclei di due o più atomi si uniscono tra loro formando il nucleo di un nuovo elemento chimico. Un processo che esiste in natura sulle stelle rendendo possibile l’emissione di luce e impedendone il collasso gravitazionale. Sebbene ottenuta per la prima volta in laboratorio negli anni Cinquanta solo a partire dagli anni Sessanta, sono iniziate ricerche per cercare di sfruttare l’energia prodotta dalla fusione per produrre energia elettrica. In molte parti del mondo, compresa l’Italia, sono in corso di progettazione e di costruzione dei reattori nucleari a fusione. Fino ad oggi il contributo energetico è stato però minimale se non negativo non riuscendo ad ottenere guadagni energetici significativi. Come sempre non mancano i detrattori che, per partito preso (No Nucleare) o per gli ingenti costi necessari per la ricerca, si oppongono a questa soluzione.
Per fortuna le ricerca prosegue per ridurre la dipendenza energetica dai fossili, con tutte le sue implicazioni dal punto vista climatico, economico e politico che spingono i Paesi ad investire in sistemi alternativi, maggiormente ecosostenibili. I sistemi disponibili però non garantiscono ancora un’efficienza energetica sufficiente per sostituire pienamente le necessità energivore del mondo di oggi per cui gli scienziati ritengono che la possibilità di impiegare impianti nucleari a fusione potrebbe essere una pietra miliare nella ricerca di un’energia rinnovabile per sostituire i combustibili fossili in quanto il combustibile non produrrebbe scorie e potrebbe essere ricavato anche dall’acqua.
Nonostante l’acceso dibattito tra ricercatori e ambientalisti, miliardi di dollari stanno affluendo in startup private come TerraPower, sostenuta da Bill Gates, o in iniziative governative come ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), un progetto internazionale sperimentale in costruzione nel Sud della Francia, che si spera possa essere in grado di produrre un plasma di fusione con più potenza rispetto alla potenza richiesta per riscaldare il plasma stesso. Nello specifico, anche ITER come il Lawrence Livermore National Lab sfrutta un reattore deuterio-trizio in cui il confinamento del plasma è ottenuto in un campo magnetico all’interno di una grande macchina denominata tokamak.
Esempio di un reattore DEMO Reactor da K. Kim, et al., Conceptual design study of the K-DEMO magnet system, Fusion Eng. Des. 96 (2015) 281–285 https://www.iea.org/articles/assessing-public-attitudes-to-nuclear-fusion-energy
Anche l’Italia è coinvolta nel processo, principalmente proprio nella progettazione e costruzione del sistema di sospensione magnetica. I costi sono molto elevati, circa 22 miliardi di dollari che coinvolgono 35 nazioni. Il 17 novembre 2016, il consiglio direttivo di ITER ha annunciato che gli esperimenti di fusione deuterio-trizio veri e propri inizieranno solo a partire dal 2035. Forse troppo tardi per uno sfruttamento rapido del sistema.
Una speranza dalla California?
La ricerca sulla fusione nucleare al Lawrence Livermore National Lab iniziò negli anni ’70. Livermore ora ospita il più grande sistema laser del mondo, delle dimensioni di tre campi da calcio. L’ultimo esperimento presso il Lawrence Livermore National Laboratory, California, sembrerebbe aprire nuove speranze per lo sfruttamento dell’energia nucleare pulita.
I ricercatori americani hanno utilizzato un processo noto come fusione a confinamento inerziale termonucleare, bombardando una particella di plasma di idrogeno con fasci laser per innescare una reazione di fusione nucleare.
Lawrence Livermore National Laboratory, in Livermore, California (CREDIT: LLNL)
Dalle prime informazioni trapelate dal centro di ricerche californiano, gli scienziati sono stati in grado di produrre 2,5 megajoule di energia, il 120% dei 2,1 megajoule utilizzati per alimentare l’esperimento. In pratica, hanno dimostrato che un cilindretto di oro e lantanio di circa 10 centimetri, immerso in un enorme campo magnetico di 50 Tesla, se bombardato da 192 raggi laser, genera una serie di esplosioni estremamente veloci e ripetute al ritmo di 50 volte al secondo, e … triplica la propria energia. In particolare, i laser diretti contro il cilindro d’oro colpiscono la superficie interna e producono raggi X. Questi colpiscono una minuscola sfera di deuterio e trizio, a bassissima temperatura, portandola a temperature altissime, vicine a quelle del nucleo del Sole. Come accennato, il potentissimo campo magnetico di 50 Tesla controlla le particelle cariche facendole girare attorno alle linee del campo. .
| Per comprendere la potenza del campo magnetico Un tipico impianto per la risonanza magnetica (MRI) utilizza magneti di circa 3 Tesla e il campo magnetico che protegge la Terra dal vento solare è di molti ordini di grandezza inferiore ai 50 Tesla dell’impianto di Livermore |
Ciò aiuta a creare collisioni e potenziare la reazione di fusione nucleare. In pratica gli elettroni vengono strappati agli atomi e si scontrano fondendosi. Il bersaglio implode in un miliardesimo di secondo e continua a comprimersi per la sua stessa inerzia. Infine, si espande a causa della crescente pressione centrale causata dalla compressione. Questa reazione a catena di fusione auto riscaldata si chiama accensione e potrebbe essere la base per una produzione futura, praticamente infinita e pulita, di energia.
Un passo avanti, ma aspettiamo i risultati
Sebbene il rendimento esatto della reazione sia ancora in fase di determinazione e … non sia stato ancora confermato, il Segretario per l’Energia degli Stati Uniti, Jennifer Granholm e il Sottosegretario per la Sicurezza nucleare degli Stati Uniti Jill Hruby sono pronti a fare nei prossimi giorni un annuncio dal Lawrence Livermore National Lab. Un campo di ricerca al quale l’amministrazione Biden ha contribuito con l’incredibile finanziamento 370 miliardi di dollari di sussidi per lo sviluppo di energia a basse emissioni di carbonio come parte dell’Inflation Reduction Act del 2022. Il momento è quindi critico e vogliamo sperare sia la volta buona.
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Fonte
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.195002
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in anteprima Artwork showing a pellet of hydrogen fuel inside a container called the hohlraum (CREDIT: LLNL)
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