{"id":117870,"date":"2025-05-17T00:02:00","date_gmt":"2025-05-16T22:02:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.ocean4future.org\/savetheocean\/?p=117870"},"modified":"2025-05-05T18:59:36","modified_gmt":"2025-05-05T16:59:36","slug":"la-fusione-termonucleare-controllata-si-avvicina","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.ocean4future.org\/savetheocean\/archives\/117870","title":{"rendered":"La fusione termonucleare controllata si avvicina"},"content":{"rendered":"tempo di lettura: <\/span> 8<\/span> minuti<\/span><\/span>

.<\/span>
livello medio<\/span><\/a><\/p>\n

.<\/span><\/p>\n

ARGOMENTO: SVILUPPI TECNOLOGICI<\/strong><\/span>
PERIODO: XXI SECOLO<\/strong><\/span>
AREA: INNOVAZIONE<\/strong><\/span>
parole chiave: Fusione termonucleare<\/p>\n

Uno i progetti pi\u00f9 ambiziosi dell\u2019ingegneria \u00e8 la possibilit\u00e0 di sfruttare la fusione termonucleare<\/span> controllata<\/span><\/strong> per produrre energia elettrica dalla fusione di due atomi. Sebbene essa sia ancora ad uno stato sperimentale e si stima potrebbe essere disponibile tra circa cinquant\u2019anni, la ricerca sta facendo passi da gigante e non \u00e8 escluso che con l\u2019aiuto dell\u2019Intelligenza artificiale il processo potrebbe accelerarsi regalando all\u2019Umanit\u00e0 energia pulita. A tal riguardo l\u2019Italia \u00e8 all\u2019avanguardia e, gi\u00e0 nel 2019, ITER e il Consorzio di Padova costituito da Cnr, Enea, INFN, Universit\u00e0 di Padova e Acciaierie Venete S.p.A.<\/span><\/strong> hanno firmato un accordo di collaborazione1<\/sup><\/span><\/strong> che apre alla sperimentazione per i prossimi dieci anni sui prototipi del sistema di iniezione di fasci di particelle neutre accelerate a 1MeV. Il sistema garantir\u00e0 temperature di 150 milioni di gradi, mai misurate nell\u2019Universo conosciuto, necessarie per produrre un\u2019energia pulita, senza emissioni di CO2<\/sub>, sostenibile e sicura<\/span><\/strong>. Recentemente \u00e8 stato pubblicato su Nature Communications uno studio<\/a><\/strong>2<\/span><\/strong><\/sup> inerente la generazione con successo di plasmi a campo invertito mediante iniezione di fasci neutri, una tecnologia che ha permesso di fornire una fonte diretta di corrente ionica energetica a direzione toroidale, aumentando la densit\u00e0 e la temperatura del plasma fino a rendere comparabili la pressione del plasma e quella magnetica. I risultati stabiliscono un metodo di formazione della configurazione a campo invertito che potrebbe offrire vantaggi tecnologici ed economici straordinari nel percorso verso un futuro sistema energetico a fusione termonucleare. L\u2019argomento \u00e8 complesso per cui facciamo un passo indietro, introducendo l\u2019argomento grazie ad un estratto della eccellente tesi del dottor Michele Donato, universit\u00e0 di Padova 3<\/span><\/strong><\/sup>.<\/p>\n

L\u2019energia pulita del futuro<\/strong><\/span>
Nell\u2019universo conosciuto circa il 99% dell\u2019energia \u00e8 data dalla fusione termonucleare<\/span><\/strong>, che avviene nelle stelle in maniera spontanea grazie alla loro enorme massa e gravit\u00e0. Il principio che sottende alla reazione di fusione termonucleare \u00e8 detto difetto di massa,<\/span><\/strong>\u00a0ovvero alla differenza di massa\u00a0tra un\u00a0atomo\u00a0e la somma delle masse dei\u00a0protoni\u00a0, dei\u00a0neutroni\u00a0e degli\u00a0elettroni dell’atomo. Essa avviene quando due atomi leggeri si uniscono per formare un atomo pi\u00f9 pesante la quale massa atomica \u00e8 inferiore alla somma dei numeri di massa dei due atomi reagenti. Nella reazione che ne deriva viene liberata energia secondo la nota legge della relativit\u00e0 di Einstein<\/span><\/strong>.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

con c che corrisponde alla velocit\u00e0 della luce nel vuoto, dove ? = 299792.458 ??\/?, e m corrisponde alla massa.<\/span><\/strong><\/p>\n

Sebbene la reazione di fusione possa applicarsi a qualsiasi elemento, nella pratica \u00e8 possibile fondere solo nuclei atomici molto leggeri. In natura la reazione di fusione che genera maggiore quantit\u00e0 di energia per unit\u00e0 di massa \u00e8 quella dove i reagenti sono due protoni e due neutroni che danno luogo, fondendosi, ad un nucleo 4He. Purtroppo tale reazione non ha molte possibilit\u00e0 di avvenire ed \u00e8 di difficile attuazione, ma fortunatamente esiste una reazione pi\u00f9 facilmente realizzabile tra Deuterio (H2) e Trizio (H3), due isotopi dell\u2019idrogeno che danno origine alla seguente equazione:<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Questa reazione di fusione \u00e8 quella con la sezione d\u2019urto maggiore. La sezione d\u2019urto<\/span><\/strong> si misura in barn dove un ????<\/strong><\/span> \u00e8 uguale a 10\u221228?2<\/sup> e definisce un\u2019area che \u00e8 proporzionale alla probabilit\u00e0 che avvenga una fusione tra un nucleo accelerato con energia E ed un secondo nucleo.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Per far avvenire la fusione tra due nuclei essi devono collidere ma, essendo entrambi dotati di cariche positive, per la legge di Coulomb<\/span><\/strong> sono soggetti a forze repulsive. Essi quindi devono essere dotati di una velocit\u00e0 (energia cinetica) tale da superare queste forze di repulsione; una forza che viene fornita attraverso il calore che viene ceduto alla miscela di gas. Idealmente questa miscela di gas dovrebbe essere composta per met\u00e0 dall\u2019atomo di Deuterio e per met\u00e0 da quello di Trizio<\/span><\/strong> portati alla temperatura di circa 150 milioni di gradi Kelvin (equivalenti a 12 KeV, l\u2019unit\u00e0 di misura che si usa solitamente in ambito fusionistico per l\u2019energia.<\/p>\n

In parole semplici questa temperatura consente agli elettroni di separarsi dal nucleo e quindi consentire la formazione di un gas ionizzato chiamato plasma, costituito da particelle cariche.<\/span> <\/strong>Il problema \u00e8 che il plasma non pu\u00f2 interagire troppo con le pareti della camera di contenimento, dove avviene la fusione, perch\u00e9 oltre a raffreddarsi e quindi spostarsi dalle condizioni necessarie per la fusione, potrebbe inglobare delle impurit\u00e0 ed influenzare la stabilit\u00e0 della reazione di fusione fino a comprometterla del tutto. Inoltre queste particelle, muovendosi a velocit\u00e0 cos\u00ec elevate, possono dare origine a fenomeni distruttivi per la parete della camera di contenimento. \u00c8 quindi necessario confinare il plasma utilizzando dei campi magnetici generati da correnti circolanti in spire che avvolgono la camera di ignizione. Gli elettroni e ioni si muovono a spirale lungo le linee di forza del campo magnetico, applicando campi magnetici di diversa forma che fatti variare nel tempo, consentono di confinare il plasma nello spazio e costringerlo a seguire un percorso chiuso all\u2019interno della camera di contenimento. Il plasma cos\u00ec confinato \u00e8 per\u00f2 suscettibile ad alcune instabilit\u00e0 ed a perdita di particelle che sfuggono dalla traiettoria di confinamento<\/span><\/strong>. E\u2019 quindi necessario ottimizzare il tempo di confinamento<\/span>4<\/span><\/sup><\/strong> per far s\u00ec che venga generata una sufficiente energia di fusione<\/span> <\/strong>per essere in grado di riscaldare il nuovo plasma immesso al fine di mantenere la necessaria densit\u00e0. La configurazione maggiormente usata per le camere di confinamento \u00e8 quella toroidale<\/span><\/strong> perch\u00e9 gli ioni possano proseguire continuativamente nella loro traiettoria senza collidere con le pareti. La temperatura di circa 150 milioni di gradi Kelvin potrebbe indurre a pensare che essa sia troppo elevata per qualsiasi materiale, in realt\u00e0 si deve ricordare che la densit\u00e0 del plasma di fusione \u00e8 di sei ordini di grandezza inferiore a quella di un gas a pressione atmosferica. In parole semplici, da un punto di vista energetico \u00e8 come avere un gas a pressione atmosferica scaldato a 100\u00b0 C..<\/p>\n

Secondo il criterio di Lawson<\/span> <\/strong>affinch\u00e9 la reazione si sostenga e si abbia la produzione di energia, il triplo prodotto, costituito da temperatura (keV), tempo di confinamento (s) e densit\u00e0 (particelle per metro cubo) deve verificare la disequazione sottostante.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Tale criterio definisce il guadagno Q<\/span><\/strong>: \"Questa<\/p>\n

Per poter produrre pi\u00f9 energia di quella che si introduce \u00e8 quindi necessario che Q sia maggiore di 1<\/span><\/strong>, la cosiddetta condizione di breakeven<\/span><\/strong>, che avviene quando la potenza rilasciata dalle reazioni di fusione \u00e8 maggiore alla potenza termica richiesta. Il 13 dicembre 2022, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha annunciato che il NIF aveva superato il traguardo producendo 3,15 MJ dopo aver fornito 2,05 MJ all’obiettivo, per un Q equivalente di 1,54<\/span><\/strong>.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Descrizione schematica della deriva del toro: le particelle nei dispositivi di confinamento del plasma magnetico toroidale, cos\u00ec come sono preferiti negli esperimenti di fusione nucleare, si spostano radialmente verso l’esterno se viene utilizzato un campo magnetico puramente toroidale<\/strong><\/span>Torusdrift.png – Wikimedia Commons<\/a><\/p>\n

Per confinare il plasma si usa un campo magnetico, combinazione di pi\u00f9 campi magnetici, generato da bobine che avvolgono la camera toroidale<\/span><\/strong>. L\u2019elevato valore della corrente induce l\u2019utilizzo di materiali superconduttori mantenuti a temperature molto basse, vicino allo zero assoluto (-273.15\u00b0C), per evitare perdite ohmiche che risulterebbero troppo elevate. Il limite del campo magnetico toroidale finora \u00e8 stato di 12 T. Le tipologie di confinamento magnetico che si stanno studiando sono<\/span><\/strong>:
– Tokamak<\/span><\/strong>: tipo di macchina tecnologicamente pi\u00f9 avanzata, il cui campo magnetico risulta molto
stabile;
– Reverse Field Pinch<\/span><\/strong> dove la componente toroidale \u00e8 dello stesso ordine di grandezza di quella poloidale, generata dalla corrente nel plasma. La macchina \u00e8 meno costosa rispetto alla Tokamak e non richiede un riscaldamento ulteriore del plasma che ha per\u00f2 una scarsa stabilit\u00e0;<\/p>\n

– Stellarator<\/strong><\/span>: con questa configurazione si generano entrambe le componenti del campo magnetico dall\u2019esterno. Il campo risultante ha un regime stabile, non pulsato come \u00e8 nelle altre due tipologie ma la complessit\u00e0 costruttiva ed il costo sono molto elevati.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Disegno di ITER in mostra alle Giornate Internazionali dell’Energia da Fusione 2013. Monaco. Photo Credit: Conleth Brady \/ IAEA ITER Exhibit (01810402) (12219071813) (cropped).jpg – Wikimedia Commons<\/a><\/strong><\/span><\/p>\n

I reattori sperimentali attualmente in funzione ed in costruzione sono principalmente macchine Tokamak. Anche ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor),<\/span><\/strong> come si evince dal nome, \u00e8 un esperimento scientifico su larga scala a cui partecipano alcuni tra i paesi tecnologicamente pi\u00f9 sviluppati. Va compreso che ITER \u00e8 un reattore sperimentale il cui scopo principale \u00e8 il raggiungimento di una reazione di fusione stabile (500 MW prodotti per una durata di circa 10 minuti), validando e, se possibile, incrementando le attuali conoscenze sulla fisica del plasma. Il reattore non \u00e8 progettato per convertire in elettricit\u00e0 la potenza termica prodotta, o per essere utilizzato per la produzione di energia elettrica. Alla fine del 2022 sono state scoperte delle fessurazioni nelle saldature dei due settori della camera del Tokamak gi\u00e0 calati e installati all’interno del complesso e, a luglio 2024, \u00e8 stato annunciato che l’impatto dei danni non permetter\u00e0 di generare il primo plasma prima del 2033 e iniziare la fase deuterio-trizio prima del 2039.<\/p>\n

\"Questa<\/p>\n

Un disegno del tokamak ITER e dei sistemi integrati dell’impianto mostra la complessit\u00e0 dell’impianto ITER attualmente in costruzione in Francia. Fonte: Tokamak ITER e Sistemi di Impianto (2016) Autore: Oak Ridge National Laboratory<\/span><\/strong><\/p>\n

Inutile rimarcare che la ricerca sulla fusione termonucleare fornir\u00e0 enormi vantaggi per l\u2019Umanit\u00e0. Per coloro che avversano il nucleare, dovrebbe essere chiaro che la fusione, a differenza della fissione attualmente utilizzata, non \u00e8 una reazione a catena e questo implica che, appena ci si scosta alle condizioni ottimali o si interrompe l\u2019apporto di combustibile, la reazione si interrompe immediatamente. Anche i macchinari impiegati, sebbene assumano una certa radioattivit\u00e0 a fine vita, hanno tempi di dimezzamento drasticamente ridotti rispetto alla fissione nucleare dell\u2019ordine delle decine di anni). Il trizio \u00e8 un isotopo instabile dell\u2019idrogeno e pu\u00f2 essere maneggiato in completa sicurezza, che non necessita di essere trasportato perch\u00e9 si produce in loco grazie al Litio. Non ultimo, gli elementi necessari per la fusione, deuterio e litio, sono molto abbondanti e facilmente reperibili sulla Terra e questo comporta di poter produrre energia elettrica pulita e a costi minimi per milioni di anni.<\/span><\/strong>
.<\/span><\/p>\n

Note<\/strong><\/span>
1. Comunicato INFN per un accordo decennale che dar\u00e0 il via alla sperimentazione, a Padova, del pi\u00f9 potente sistema di accelerazione di fasci di particelle neutre mai realizzato. Il sistema garantir\u00e0 ad ITER le condizioni di temperatura estreme, 150 milioni di gradi, necessarie ad accendere le reazioni a fusione per produrre un\u2019energia pulita, senza emissioni di CO2<\/sub>, sostenibile e sicura: https:\/\/www.infn.it\/accordo-tra-rfx-e-iter-per-sviluppare-il-sistema-di-riscaldamento-del-futuro-reattore-a-fusione\/<\/a>
2. Roche, T., Dettrick, S., Fontanilla, A.\u00a0et al.<\/i>\u00a0Generation of field-reversed configurations via neutral beam injection<\/span><\/em><\/strong>.\u00a0Nature Communications<\/i>\u00a016<\/b>, 3487 (2025). https:\/\/doi.org\/10.1038\/s41467-025-58849-5 https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41467-025-58849-5<\/a>
3. Michele Donato, Tesi di Laurea Magistrale, \u201cSviluppo del sistema di controllo di un convertitore switching per il recupero di energia in sistemi di iniezione di particelle neutre per esperimenti di fusione termonucleare controllata<\/em><\/strong><\/span>\u201d, una tesi intesa a definire, progettare e implementare un sistema di controllo per un prototipo di circuito elettrico per il recupero di energia in sistemi per la generazione di fasci di
particelle neutre (NBI) per il riscaldamento del plasma in esperimenti di fusione termonucleare controllata. https:\/\/thesis.unipd.it\/bitstream\/20.500.12608\/24393\/1\/Donato_Michele_tesi.pdf<\/a>
4. Il tempo di confinamento \u00e8 il tempo che intercorre tra la generazione del plasma e il suo spegnimento per raffreddamento<\/p>\n

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Alcune delle foto presenti in questo blog possono essere state prese dal web, citandone ove possibile gli autori e\/o le fonti. Se qualcuno desiderasse specificarne l\u2019autore o rimuoverle, pu\u00f2 scrivere a infoocean4future@gmail.com e provvederemo immediatamente alla correzione dell\u2019articolo
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