Migliori pareti del reattore a fusione nucleare rappresentano un importante progresso ingegneristico per la tecnologia

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I reattori a fusione rompono insieme due forme di idrogeno (in alto) in modo che si fondano, producendo elio e un elettrone ad alta energia (in basso). Crediti: Wykis/WikimediaCommons

Gli scienziati di un laboratorio in Inghilterra hanno infranto il record per la quantità di energia prodotta durante una reazione di fusione controllata e sostenuta. La produzione di 59 megajoule di energia in cinque secondi all’esperimento Joint European Torus—o JET—in Inghilterra è stata definita “una svolta” da alcune testate giornalistiche e ha suscitato parecchia eccitazione tra i fisici. Ma una linea comune per quanto riguarda la produzione di elettricità da fusione è che è “sempre a 20 anni di distanza”.

Siamo un fisico nucleare e un ingegnere nucleare che studiamo come sviluppare la fusione nucleare controllata allo scopo di generare elettricità.

Il risultato JET dimostra notevoli progressi nella comprensione della fisica della fusione. Ma altrettanto importante, mostra che i nuovi materiali utilizzati per costruire le pareti interne del reattore a fusione hanno funzionato come previsto. Il fatto che la nuova costruzione del muro abbia funzionato così come ha fatto è ciò che separa questi risultati dalle pietre miliari precedenti ed eleva la fusione magnetica da un sogno a una realtà.

fondendo insieme le particelle

La fusione nucleare è la fusione di due nuclei atomici in un nucleo composto. Questo nucleo quindi si rompe e rilascia energia sotto forma di nuovi atomi e particelle che accelerano la reazione. Una centrale a fusione catturerebbe le particelle in fuga e utilizzerà la loro energia per generare elettricità.

Esistono diversi modi per controllare in sicurezza la fusione sulla Terra. La nostra ricerca si concentra sull’approccio adottato da JET, utilizzando potenti campi magnetici per confinare gli atomi fino a quando non vengono riscaldati a una temperatura sufficientemente alta da poterli fondere.

Il combustibile per i reattori attuali e futuri sono due diversi isotopi dell’idrogeno, il che significa che hanno un protone, ma un numero diverso di neutroni, chiamati deuterio e trizio. L’idrogeno normale ha un protone e nessun neutrone nel suo nucleo. Il deuterio ha un protone e un neutrone mentre il trizio ha un protone e due neutroni.

Affinché una reazione di fusione abbia successo, gli atomi di combustibile devono prima diventare così caldi che gli elettroni si liberano dai nuclei. Questo crea plasma, un insieme di ioni ed elettroni positivi. È quindi necessario continuare a riscaldare quel plasma fino a quando non raggiunge una temperatura superiore a 200 milioni di gradi Fahrenheit (100 milioni di Celsius). Questo plasma deve quindi essere mantenuto in uno spazio ristretto ad alta densità per un periodo di tempo sufficientemente lungo da consentire agli atomi di carburante di entrare in collisione l’uno con l’altro e fondersi insieme.

Per controllare la fusione sulla Terra, i ricercatori hanno sviluppato dispositivi a forma di ciambella, chiamati tokamak, che utilizzano i campi magnetici per contenere il plasma. Le linee del campo magnetico che avvolgono l’interno della ciambella si comportano come i binari del treno che seguono gli ioni e gli elettroni. Iniettando energia nel plasma e riscaldandolo, è possibile accelerare le particelle di carburante a velocità così elevate che quando si scontrano, invece di rimbalzare l’una sull’altra, i nuclei di carburante si fondono insieme. Quando ciò accade, rilasciano energia, principalmente sotto forma di neutroni in rapido movimento.

Durante il processo di fusione, le particelle di combustibile si allontanano gradualmente dal nucleo caldo e denso e alla fine si scontrano con la parete interna del vaso di fusione. Per evitare il degrado delle pareti a causa di queste collisioni, che a loro volta contaminano anche il combustibile di fusione, i reattori sono costruiti in modo da canalizzare le particelle ribelli verso una camera pesantemente corazzata chiamata deviatore. Questo pompa le particelle deviate e rimuove il calore in eccesso per proteggere il tokamak.

Le pareti sono importanti

Una delle principali limitazioni dei reattori del passato è stata il fatto che i deviatori non possono sopravvivere al costante bombardamento di particelle per più di pochi secondi. Per fare in modo che l’energia da fusione funzioni commercialmente, gli ingegneri devono costruire una nave tokamak che sopravviva per anni di utilizzo nelle condizioni necessarie per la fusione.

La parete del deviatore è la prima considerazione. Sebbene le particelle di carburante siano molto più fredde quando raggiungono il deviatore, hanno ancora abbastanza energia per staccare gli atomi dal materiale della parete del deviatore quando entrano in collisione con esso. In precedenza, il deviatore di JET aveva una parete in grafite, ma la grafite assorbe e intrappola troppo carburante per un uso pratico.

Intorno al 2011, gli ingegneri del JET hanno aggiornato il deviatore e le pareti interne della nave in tungsteno. Il tungsteno è stato scelto in parte perché ha il punto di fusione più alto di qualsiasi metallo, una caratteristica estremamente importante quando è probabile che il deviatore subisca carichi di calore quasi 10 volte superiori rispetto al cono di una navetta spaziale che rientra nell’atmosfera terrestre. La parete interna del vaso del tokamak è stata aggiornata da grafite a berillio. Il berillio ha eccellenti proprietà termiche e meccaniche per un reattore a fusione: assorbe meno carburante della grafite ma può comunque resistere alle alte temperature.

L’energia prodotta dal JET è stata ciò che ha fatto notizia, ma vorremmo sostenere che in realtà è l’uso dei nuovi materiali per pareti che rendono l’esperimento davvero impressionante perché i dispositivi futuri avranno bisogno di queste pareti più robuste per funzionare ad alta potenza per periodi ancora più lunghi di tempo. JET è un proof of concept di successo su come costruire la prossima generazione di reattori a fusione.

I prossimi reattori a fusione

Il JET tokamak è il più grande e avanzato reattore a fusione magnetica attualmente in funzione. Ma la prossima generazione di reattori è già in lavorazione, in particolare l’esperimento ITER, che entrerà in funzione nel 2027. ITER, che in latino significa “la via”, è in costruzione in Francia ed è finanziato e diretto da un’organizzazione internazionale che include gli Stati Uniti

ITER utilizzerà molti dei progressi materiali che JET ha dimostrato essere fattibili. Ma ci sono anche alcune differenze fondamentali. Primo, ITER è enorme. La camera di fusione è alta 37 piedi (11,4 metri) e circa 63 piedi (19,4 metri), più di otto volte più grande del JET. Inoltre, ITER utilizzerà magneti superconduttori in grado di produrre campi magnetici più forti per periodi di tempo più lunghi rispetto ai magneti di JET. Con questi aggiornamenti, ITER dovrebbe distruggere i record di fusione di JET, sia per la produzione di energia che per quanto tempo durerà la reazione.

ITER dovrebbe anche fare qualcosa di centrale nell’idea di una centrale a fusione: produrre più energia di quanta ne serva per riscaldare il combustibile. I modelli prevedono che ITER produrrà circa 500 megawatt di potenza ininterrottamente per 400 secondi consumando solo 50 MW di energia per riscaldare il combustibile. Ciò significa che il reattore ha prodotto 10 volte più energia di quanta ne consumasse, un enorme miglioramento rispetto a JET, che richiedeva circa tre volte più energia per riscaldare il combustibile rispetto a quella prodotta per il suo recente record di 59 megajoule.

Il recente record di JET ha dimostrato che anni di ricerca nella fisica del plasma e nella scienza dei materiali hanno dato i loro frutti e hanno portato gli scienziati alle soglie dello sfruttamento della fusione per la produzione di energia. ITER fornirà un enorme balzo in avanti verso l’obiettivo delle centrali elettriche a fusione su scala industriale.


L’impianto di fusione stabilisce un nuovo record mondiale di energia


Fornito da La conversazione

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.La conversazione

Citazione: Le migliori pareti del reattore a fusione nucleare rappresentano un importante progresso ingegneristico per la tecnologia (2022, 5 aprile) recuperate il 9 aprile 2022 da https://phys.org/news/2022-04-nuclear-fusion-reactor-walls-major.html

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