La fusione nucleare per la generazione controllata e regolare di energia elettrica convertendo l'idrogeno in elio e riproducendo su piccola scala ciò che accade all'interno delle stelle è una delle principali promesse tecnologiche per i prossimi decenni. Finora, solo risultati limitati sono stati ottenuti in esperimenti di laboratorio. Ora, un prototipo di reattore chiamato ITER è in costruzione nel sud della Francia. La sua capacità di progettazione è di 500 megawatt, e il piano è di entrare in funzione nel 2025. I membri del consorzio ITER sono la Cina, l'Unione Europea, India, Giappone, Russia, Corea del Sud e Stati Uniti. Il costo del megaprogetto dovrebbe superare i 20 miliardi di euro.
ITER non catturerà l'energia che produce come elettricità, ma sarà il primo tokamak a produrre energia netta, cioè., più potenza della quantità di energia termica iniettata per riscaldare il plasma. Consentirà agli scienziati di saperne di più sulla gestione delle molteplici complessità tecniche della fusione nucleare, aprendo la strada alle macchine che lo utilizzano per fornire energia elettrica alla rete. Il termine tokamak deriva dall'acronimo russo per camera toroidale con bobine magnetiche.
Sarà fondamentale garantire che il processo di fusione nucleare possa diventare autosufficiente e prevenire perdite di energia tramite radiazioni elettromagnetiche e particelle alfa, poiché queste perdite consentirebbero al reattore di raffreddarsi. I risultati sperimentali osservati negli ultimi 20 anni hanno mostrato che il modo in cui gli ioni veloci (comprese le particelle alfa) vengono espulsi dal plasma varia notevolmente da un tokamak all'altro. Fino a poco tempo fa, nessuno capiva quali condizioni sperimentali determinassero questo comportamento.
Il problema è stato ora chiarito da Vinícius Njaim Duarte, un giovane ricercatore brasiliano. Duarte è attualmente impegnato nella ricerca post-dottorato presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) negli Stati Uniti. È l'autore principale dell'articolo, dal titolo "Teoria e osservazione dell'insorgenza di strutture non lineari dovute alla destabilizzazione dell'automodo da parte di ioni veloci nei tokamak, " pubblicato in Journal Physics of Plasmas .
La ricerca di Duarte ha attirato così tanta attenzione che i ricercatori del più grande tokamak statunitense, DIII-D, condusse esperimenti per testare il modello da lui proposto. I risultati hanno confermato le previsioni del modello.
Il fisico Ricardo Magnus Osório Galvão ha affermato:"Le onde elettromagnetiche eccitate da particelle veloci nei tokamak possono mostrare improvvise variazioni di frequenza, noto come cinguettio. Nessuno capiva perché questo accadesse su alcune macchine e non su altre. Utilizzando modelli numerici complessi e dati sperimentali, Duarte ha mostrato che il cinguettio si verifica o meno, e quindi la natura delle particelle e delle perdite di energia, dipende dal livello di turbolenza nel plasma confinato nel tokamak. In questo plasma avvengono reazioni di fusione nucleare. Il cinguettio si verifica se non è molto turbolento. Con forte turbolenza, non c'è cinguettio."
La fusione nucleare è distinta dalla fissione nucleare, il processo utilizzato nelle centrali nucleari esistenti nel mondo. Nella fissione, i nuclei atomici di elementi pesanti come l'uranio 235 si dividono in nuclei di elementi più leggeri:cripto e bario, in questo caso. Questa fissione rilascia energia, radiazioni elettromagnetiche, e neutroni che a loro volta si dividono in una reazione a catena che fa continuare il processo.
Nella fusione nucleare, i nuclei atomici di elementi più leggeri come gli isotopi di idrogeno deuterio (un protone e un neutrone) e trizio (un protone e due neutroni) si fondono per formare nuclei di elementi più pesanti, in questo caso, elio (due protoni e due neutroni) e rilasciare energia.
"Perché la fusione nucleare sia possibile, è necessario vincere la repulsione elettrostatica tra ioni positivi, " ha spiegato Galvão. "Questo accade solo se il plasma formato dai nuclei degli elementi leggeri viene riscaldato a temperature estremamente elevate, nell'ordine da decine a centinaia di milioni di gradi Celsius."
A ITER, Per esempio, 840 metri cubi di plasma vengono riscaldati a 150 milioni di gradi Celsius, oltre dieci volte la temperatura del nucleo del sole. "A quel tipo di temperatura, raggiungi il break-even energetico. L'energia rilasciata dalle reazioni di fusione è sufficiente per eguagliare l'energia necessaria per riscaldare il plasma, " disse Galvao.
Il processo avviene nella camera toroidale all'interno del tokamak. Un toro ha la forma di una ciambella. Il solido contenuto dalla superficie è noto come toroide.
Il processo di fusione nucleare si sviluppa come segue:nella camera viene prodotto un vuoto, che viene poi riempito di gas. Una scarica elettrica ionizza il gas, che viene riscaldato da onde radio ad alta frequenza. Un campo elettrico indotto nella camera toroidale sottopone il gas ad una corrente estremamente intensa (circa 1 milione di ampere, nel caso di DIII-D), che riscalda ulteriormente il gas per effetto Joule. Ancora più energia viene iniettata dalle onde elettromagnetiche fino a raggiungere la temperatura necessaria per innescare la fusione nucleare. Anche un piccolo tokamak, come quello installato presso l'Università di San Paolo, raggiunge temperature dell'ordine di 100 milioni di gradi.
"A queste temperature estremamente elevate, gli ioni vibrano così forte che si scontrano e superano la repulsione elettrostatica, " ha detto Galvão. "Un potente campo magnetico confina il flusso di plasma e lo tiene lontano dalle pareti della nave. Le particelle alfa altamente energizzate [nuclei di elio] si scontrano con altre particelle nel plasma, mantenendolo caldo e sostenendo la reazione di fusione."
Un'analogia suggerita da Galvão sarebbe un falò fatto con legna umida, che non prenderà fuoco facilmente all'inizio ma che alla fine divampa dopo aver raggiunto una certa temperatura, e la combustione sempre più stabile produce energia sufficiente per vincere l'umidità. Il plasma raggiunge il punto di accensione quando le particelle alfa iniziano a reimmettere costantemente nel processo.
Tra i molti vantaggi della fusione rispetto alla fissione c'è il fatto che la fusione implica un meccanismo di autocontrollo:una volta raggiunto il punto di accensione, se questo livello di temperatura viene notevolmente superato, in altre parole, se il plasma si surriscalda, la reazione rallenta automaticamente. Così, fusione del reattore, una delle complicazioni più pericolose degli incidenti nelle centrali elettriche che utilizzano la fissione nucleare, non potrebbe accadere in un impianto di fusione nucleare.
Il problema è che l'interazione risonante tra le particelle alfa e le onde presenti nel plasma può eccitare oscillazioni elettromagnetiche, o addirittura portare all'espulsione di particelle alfa. Ciò può causare perdita di energia, raffreddamento del plasma e possibile interruzione della fusione nucleare. Comprendere le cause di questo problema e i fattori che possono prevenirlo è fondamentale per garantire la sostenibilità del processo e l'utilizzo della fusione nucleare come valida fonte di energia elettrica.
"Quello che Duarte ha scoperto è che questo risultato avviene in modo auto-organizzato, con la produzione di cinguettii, se il plasma non è molto turbolento. Se la turbolenza è alta, però, non lo fa, " ha detto Galvão [vedi sotto per un'intervista a Vinícius Njaim Duarte].
Il nocciolo del problema è che in un fluido molto turbolento, non esiste una direzione preferenziale, Galvão ha spiegato, offrendo un'altra analogia per aiutare a illustrare il suo significato.
"Quando riscaldi l'acqua lentamente, si crea una cella di convezione nel contenitore. L'acqua calda sale, e lavelli ad acqua fredda. Questo continua fino a quando tutta l'acqua raggiunge il punto di ebollizione, " disse. "Il mezzo allora diventa turbolento, la cella di convezione è distrutta, e l'energia si diffonde indiscriminatamente in tutte le direzioni. Questo accade anche nel plasma confinato magneticamente. Il suo verificarsi impedisce la creazione di un sistema auto-organizzato che sostiene un'onda elettromagnetica associata indesiderabile. Non c'è abbastanza coerenza per generare onde. Quindi la perdita di energia che porrebbe fine al processo di fusione non si verifica.
"Duarte aveva già pubblicato un articolo su questo modello durante la sua ricerca di dottorato, ma nessuno aveva eseguito un esperimento per controllare il livello di turbolenza e vedere se il modello si applicava o meno. Questo è stato ora condotto da General Atomics a DIII-D, specificamente per testare il modello, che è stato dimostrato dal risultato."
I fisici sperimentali sapevano già empiricamente come indurre turbolenze maggiori o minori, ma non sapevano che ciò avrebbe influito sulla natura spettrale delle onde associate alla struttura delle particelle. Il contributo di Duarte consiste nell'identificare il meccanismo di controllo chiave e spiegarne il motivo. In termini di applicazioni tecnologiche, questo stabilisce una turbolenza ottimale, sufficiente a prevenire la perdita di energia e di particelle auto-organizzate, ma non abbastanza da avere altri effetti indesiderati sul confinamento complessivo del plasma.
Fino ad ora, i tokamak sono stati usati su scala di laboratorio. ITER sarà il primo prototipo di tokamak in grado di generare elettricità in modo efficiente mediante fusione nucleare. L'uso della fusione nucleare controllata non è controverso, ma secondo i suoi sostenitori, è sicuro, può produrre una quantità di energia praticamente illimitata, e non crea scorie radioattive, così come i reattori a fissione.
