La fusione nucleare è il processo che alimenta il Sole e tutte le altre stelle. Durante la fusione, i nuclei di due atomi sono avvicinati abbastanza da fondersi insieme, rilasciando enormi quantità di energia.

La replica di questo processo sulla Terra ha il potenziale per fornire elettricità quasi illimitata con emissioni di carbonio praticamente pari a zero e una maggiore sicurezza, e senza lo stesso livello di scorie nucleari della fissione.

Ma costruire quella che è essenzialmente una mini stella sulla Terra e tenerla insieme all'interno di un reattore non è un compito facile. Richiede temperature e pressioni immense e campi magnetici estremamente forti.

Al momento non abbiamo materiali in grado di resistere a questi estremi. Ma i ricercatori come me stanno lavorando per svilupparli, e abbiamo trovato alcune cose eccitanti lungo la strada.

Tokamak

Ci sono molti modi per contenere le reazioni di fusione nucleare sulla Terra, ma il più comune utilizza un dispositivo a forma di ciambella chiamato tokamak. All'interno del tokamak, i combustibili per la reazione, isotopi dell'idrogeno chiamati deuterio e trizio, vengono riscaldati fino a diventare un plasma. Un plasma è quando gli elettroni negli atomi hanno energia sufficiente per sfuggire ai nuclei e iniziare a fluttuare. Perché è costituito da particelle caricate elettricamente, a differenza di un normale gas, può essere contenuto in un campo magnetico. Ciò significa che non tocca i lati del reattore, invece, galleggia nel mezzo a forma di ciambella.

Quando il deuterio e il trizio hanno abbastanza energia si fondono insieme, creazione di elio, neutroni e rilasciando energia. Il plasma deve raggiungere temperature di 100 milioni di gradi Celsius affinché si verifichino grandi quantità di fusione, dieci volte più calde del centro del Sole. Deve essere molto più caldo perché il Sole ha una densità di particelle molto più elevata.

Sebbene sia per lo più contenuto all'interno di un campo magnetico, il reattore deve ancora resistere a temperature enormi. a Iter, il più grande esperimento di fusione del mondo, dovrebbe essere costruito entro il 2035, la parte più calda della macchina raggiungerebbe circa 1, 300℃.

Mentre il plasma sarà per lo più contenuto in un campo magnetico, ci sono momenti in cui il plasma potrebbe scontrarsi con le pareti del reattore. Ciò può provocare erosione, combustibile impiantato nelle pareti e modifiche alle proprietà del materiale.

Oltre alle temperature estreme, dobbiamo anche considerare i sottoprodotti della reazione di fusione di deuterio e trizio, come neutroni ad altissima energia. I neutroni non hanno carica quindi non possono essere contenuti dal campo magnetico. Ciò significa che colpiscono le pareti del reattore, provocando danni.

Le scoperte

Tutte queste sfide incredibilmente complesse hanno contribuito a enormi progressi nei materiali nel corso degli anni. Uno dei più notevoli sono stati i magneti superconduttori ad alta temperatura, che vengono utilizzati da diversi progetti di fusione. Questi si comportano come superconduttori a temperature inferiori al punto di ebollizione dell'azoto liquido. Mentre questo suona freddo, è alto rispetto alle temperature molto più fredde di cui hanno bisogno altri superconduttori.

In fusione, questi magneti sono a pochi metri dalle alte temperature all'interno del tokamak, creando un enorme gradiente di temperatura. Questi magneti hanno il potenziale per generare campi magnetici molto più forti rispetto ai superconduttori convenzionali, che può ridurre drasticamente le dimensioni di un reattore a fusione e può accelerare lo sviluppo della fusione commerciale.

Abbiamo alcuni materiali progettati per far fronte alle varie sfide che gli lanciamo in un reattore a fusione. I favoriti al momento sono gli acciai ad attivazione ridotta, che hanno una composizione alterata rispetto agli acciai tradizionali in modo da ridurre i livelli di attivazione da danno neutronico, e tungsteno.

Una delle cose più interessanti della scienza è qualcosa inizialmente visto come un potenziale problema che può trasformarsi in qualcosa di positivo. Fusion non fa eccezione a questo, e un esempio molto di nicchia ma degno di nota è il caso della peluria di tungsteno. Fuzz è una nanostruttura che si forma sul tungsteno quando esposto al plasma di elio durante gli esperimenti di fusione. Inizialmente considerato un potenziale problema a causa dei timori di erosione, ora c'è ricerca su applicazioni non di fusione, compresa la scissione solare dell'acqua, scomponendola in idrogeno e ossigeno.

Però, nessun materiale è perfetto, e ci sono diversi problemi rimanenti. Questi includono la produzione di materiali di attivazione ridotta su larga scala e la fragilità intrinseca del tungsteno, che lo rende una sfida con cui lavorare. Dobbiamo migliorare e perfezionare i materiali esistenti che abbiamo.

Le sfide

Nonostante gli enormi progressi nel campo dei materiali per la fusione, c'è ancora molto lavoro da fare. Il problema principale è che ci affidiamo a diversi esperimenti proxy per ricreare le condizioni potenziali del reattore, e devo provare a unire questi dati insieme, spesso utilizzando campioni molto piccoli. Il lavoro di modellazione dettagliato aiuta a estrapolare le previsioni delle prestazioni dei materiali. Sarebbe molto meglio se potessimo testare i nostri materiali in situazioni reali.

La pandemia ha avuto un impatto importante sulla ricerca sui materiali perché è stato più difficile condurre esperimenti nella vita reale. È davvero importante continuare a sviluppare e utilizzare modelli avanzati per prevedere le prestazioni dei materiali. Questo può essere combinato con i progressi nell'apprendimento automatico, per identificare gli esperimenti chiave su cui dobbiamo concentrarci e identificare i migliori materiali per il lavoro nei futuri reattori.

La produzione di nuovi materiali è stata tipicamente in piccoli lotti, concentrandosi solo sulla produzione di materiali sufficienti per gli esperimenti. Andando avanti, più aziende continueranno a lavorare sulla fusione e ci saranno più programmi che lavorano su reattori sperimentali o prototipi.

A causa di ciò, stiamo arrivando alla fase in cui dobbiamo pensare di più all'industrializzazione e allo sviluppo delle filiere. Mentre ci avviciniamo ai prototipi di reattori e, si spera, alle centrali elettriche in futuro, lo sviluppo di catene di approvvigionamento robuste su larga scala sarà una sfida enorme.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.