Per secoli, gli umani hanno sognato di sfruttare il potere del sole per dare energia alle nostre vite qui sulla Terra. Ma vogliamo andare oltre la raccolta di energia solare, e un giorno generiamo il nostro da un mini-sole. Se siamo in grado di risolvere una serie estremamente complessa di problemi scientifici e ingegneristici, l'energia da fusione promette un verde, sicuro, fonte di energia illimitata. Da un solo chilogrammo di deuterio estratto dall'acqua al giorno potrebbe provenire abbastanza elettricità per alimentare centinaia di migliaia di case.

Dagli anni Cinquanta, la ricerca scientifica e ingegneristica ha generato enormi progressi nel costringere gli atomi di idrogeno a fondersi insieme in una reazione autosufficiente, oltre a una piccola ma dimostrabile quantità di energia di fusione. Sia gli scettici che i sostenitori notano le due sfide rimanenti più importanti:mantenere le reazioni per lunghi periodi di tempo e ideare una struttura materiale per sfruttare la potenza di fusione per l'elettricità.

Come ricercatori sulla fusione presso il Princeton Plasma Physics Lab, sappiamo che realisticamente, la prima centrale elettrica a fusione commerciale è ancora lontana almeno 25 anni. Ma la possibilità che i suoi enormi benefici arrivino nella seconda metà di questo secolo significa che dobbiamo continuare a lavorare. Le principali dimostrazioni della fattibilità della fusione possono essere realizzate prima - e devono, in modo che l'energia da fusione possa essere incorporata nella pianificazione del nostro futuro energetico.

A differenza di altre forme di generazione elettrica, come solare, gas naturale e fissione nucleare, la fusione non può essere sviluppata in miniatura per poi essere semplicemente ingrandita. I passaggi sperimentali sono grandi e richiedono tempo per essere costruiti. Ma il problema dell'abbondanza, l'energia pulita sarà una delle principali richieste dell'umanità per il prossimo secolo e oltre. Sarebbe avventato non sfruttare appieno questa promettente delle fonti di energia.

Perché l'energia da fusione?

In fusione, due nuclei dell'atomo di idrogeno (isotopi di deuterio e trizio) si fondono insieme. Questo è relativamente difficile da fare:entrambi i nuclei sono carichi positivamente, e quindi si respingono. Solo se si muovono molto velocemente quando si scontrano si schianteranno insieme, fondere e quindi rilasciare l'energia che stiamo cercando.

Questo accade naturalmente al sole. Qui sulla Terra, usiamo potenti magneti per contenere un gas estremamente caldo di deuterio caricato elettricamente e nuclei ed elettroni di trizio. questo caldo, il gas carico è chiamato plasma.

Il plasma è così caldo – più di 100 milioni di gradi Celsius – che i nuclei carichi positivamente si muovono abbastanza velocemente da superare la loro repulsione elettrica e fondersi. Quando i nuclei si fondono, formano due particelle energetiche:una particella alfa (il nucleo dell'atomo di elio) e un neutrone.

Il riscaldamento del plasma a una temperatura così elevata richiede una grande quantità di energia, che deve essere immessa nel reattore prima che possa iniziare la fusione. Ma una volta che inizia, la fusione ha il potenziale per generare energia sufficiente per mantenere il proprio calore, permettendoci di prelevare il calore in eccesso per trasformarlo in energia elettrica utilizzabile.

Il carburante per l'energia da fusione è abbondante in natura. Il deuterio è abbondante nell'acqua, e il reattore stesso può produrre trizio dal litio. Ed è disponibile per tutte le nazioni, per lo più indipendenti dalle risorse naturali locali.

Il potere della fusione è pulito. Non emette gas serra, e produce solo elio e un neutrone.

È sicuro. Non c'è possibilità di una reazione fuggitiva, come un "crollo" di fissione nucleare. Piuttosto, se c'è qualche malfunzionamento, il plasma si raffredda, e le reazioni di fusione cessano.

Tutti questi attributi hanno motivato la ricerca per decenni, e sono diventati ancora più attraenti nel tempo. Ma i lati positivi sono accompagnati dalla significativa sfida scientifica della fusione.

Progressi fino ad oggi

I progressi nella fusione possono essere misurati in due modi. Il primo è l'enorme progresso nella comprensione di base dei plasmi ad alta temperatura. Gli scienziati hanno dovuto sviluppare un nuovo campo della fisica – la fisica del plasma – per concepire metodi per confinare il plasma in forti campi magnetici, e poi evolvere le capacità di riscaldare, stabilizzare, controllare la turbolenza e misurare le proprietà del plasma supercaldo.

Anche la tecnologia correlata è progredita enormemente. Abbiamo spinto le frontiere con i magneti, e sorgenti di onde elettromagnetiche e fasci di particelle per contenere e riscaldare il plasma. Abbiamo anche sviluppato tecniche in modo che i materiali possano resistere all'intenso calore del plasma negli esperimenti attuali.

È facile trasmettere le metriche pratiche che tracciano la marcia della fusione verso la commercializzazione. Il principale tra questi è l'energia da fusione che è stata generata in laboratorio:la generazione di energia da fusione è passata da milliwatt per microsecondi negli anni '70 a 10 megawatt di energia da fusione (presso il Princeton Plasma Physics Laboratory) e 16 megawatt per un secondo (presso il Joint Torus europeo in Inghilterra) negli anni '90.

Un nuovo capitolo della ricerca

Ora la comunità scientifica internazionale sta lavorando insieme per costruire un enorme centro di ricerca sulla fusione in Francia. Chiamato ITER (latino per "la via"), questo impianto genererà circa 500 megawatt di potenza di fusione termica per circa otto minuti alla volta. Se questa potenza fosse convertita in elettricità, potrebbe alimentare circa 150, 000 case. Come esperimento, ci consentirà di testare questioni scientifiche e ingegneristiche chiave in preparazione di centrali elettriche a fusione che funzioneranno continuamente.

ITER utilizza il design noto come "tokamak, " in origine un acronimo russo. Si tratta di un plasma a forma di ciambella, confinato in un campo magnetico molto forte, che è in parte creato dalla corrente elettrica che scorre nel plasma stesso.

Sebbene sia concepito come un progetto di ricerca, e non destinato ad essere un produttore netto di energia elettrica, ITER produrrà 10 volte più energia da fusione dei 50 megawatt necessari per riscaldare il plasma. Questo è un enorme passo scientifico, creando il primo "plasma ardente, " in cui la maggior parte dell'energia utilizzata per riscaldare il plasma proviene dalla reazione di fusione stessa.

ITER è sostenuto da governi che rappresentano metà della popolazione mondiale:Cina, l'Unione Europea, India, Giappone, Russia, Corea del Sud e Stati Uniti È una forte dichiarazione internazionale sulla necessità di e promessa di, energia di fusione.

La strada da percorrere

Da qui, il restante percorso verso il potere di fusione ha due componenti. Primo, dobbiamo continuare la ricerca sul tokamak. Ciò significa far progredire la fisica e l'ingegneria in modo da poter mantenere il plasma in uno stato stazionario per mesi alla volta. Avremo bisogno di sviluppare materiali in grado di sopportare una quantità di calore pari a un quinto del flusso di calore sulla superficie del sole per lunghi periodi. E dobbiamo sviluppare materiali che ricoprano il nucleo del reattore per assorbire i neutroni e generare trizio.

La seconda componente del percorso verso la fusione è sviluppare idee che aumentino l'attrattiva della fusione. Quattro di queste idee sono:

1. Usando i computer, ottimizzare i progetti dei reattori a fusione entro i limiti della fisica e dell'ingegneria. Al di là di ciò che gli umani possono calcolare, questi design ottimizzati producono forme di ciambella attorcigliate che sono altamente stabili e possono funzionare automaticamente per mesi. Sono chiamati "stellarator" nel business della fusione.
2. Sviluppo di nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura che possono essere più forti e più piccoli dei migliori di oggi. Questo ci permetterà di costruire più piccoli, e probabilmente più economico, reattori a fusione.
3. Usando metallo liquido, piuttosto che un solido, come il materiale che circonda il plasma. I metalli liquidi non si rompono, offrendo una possibile soluzione all'immensa sfida di come un materiale circostante potrebbe comportarsi quando viene a contatto con il plasma.
4. Sistemi di costruzione che contengono plasmi a forma di ciambella senza foro al centro, formando un plasma a forma quasi sferica. Alcuni di questi approcci potrebbero funzionare anche con un campo magnetico più debole. Questi approcci "tori compatti" e "basso campo" offrono anche la possibilità di dimensioni e costi ridotti.

I programmi di ricerca sponsorizzati dal governo in tutto il mondo sono al lavoro sugli elementi di entrambi i componenti e porteranno a risultati a beneficio di tutti gli approcci all'energia di fusione (oltre alla nostra comprensione dei plasmi nel cosmo e nell'industria). Negli ultimi 10-15 anni, anche aziende finanziate da privati ​​hanno aderito allo sforzo, in particolare alla ricerca di tori compatti e scoperte a basso campo. Il progresso sta arrivando e porterà abbondanza, pulire, energia sicura con esso.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.