di  -  lunedì 23 marzo 2009

Il 2009 diventerà forse un anno da ricordare nella storia energetica del mondo. È infatti l’anno in cui è stata completata una mastodontica struttura chiamata NIF (National Ignition Facility), al laboratorio nazionale di Lawrence Livermore, 80 chilometri da San Francisco. Si tratta di un edificio di dieci piani grande quanto 3 campi da calcio, dove si vuole riprodurre la fusione nucleare controllata, per ottenere la più potente fonte di energia pulita concepibile: l’energia del Sole!

In fisica nucleare si chiama fusione il processo per cui due nuclei si fondono assieme per creare un unico nucleo di un elemento più pesante. Questo processo può rilasciare energia o assorbirla, a seconda del tipo di nuclei coinvolti. Generalmente per i nuclei più leggeri del ferro l’energia viene rilasciata: fondamentalmente l’inverso di quanto accade per la fissione, dove l’energia viene rilasciata quando si hanno molti nucleoni nel nucleo.

Ovviamente serve dell’energia iniziale per fondere assieme, per esempio, due protoni (nella fusione dell’idrogeno) dovendo superare la repulsione elettromagnetica esercitata tra particelle della stessa carica, però, una volta data l’energia iniziale, viene rilasciata un’energia 100 volte superiore, perché la “forza forte” che tiene unite le particelle all’interno del nucleo è, come dice il nome, l’interazione più forte in natura.

Oltre a produrre molta più energia dei processi attualmente esistenti, la fusione nucleare ha molti altri vantaggi. Per esempio, il costo di costruzione delle centrali rimarrebbe invariato rispetto al numero di centrali costruite (al contrario di quanto accade oggi per quasi tutti i tipi di energia, rinnovabili e non), inoltre il carburante utilizzato per produrre energia (il deuterio) è di facile reperimento: circa 1 ogni 6500 atomi di idrogeno presenti nel mare è in realtà un isotopo di deuterio.

Il fenomeno della fusione nucleare avviene in continuazione e in modo estremamente controllato e regolare all’interno delle stelle, dando origine alla loro energia. Sulla Terra avviene finora solo in modo incontrollato, come per esempio nelle bombe a idrogeno.

La vera sfida è proprio quella di riuscire a imitare le stelle, controllando questa energia per poterla usare. Il problema è che nelle stelle la stabilità è garantita dalla forza gravitazionale, che riesce a contrastare la degenerazione di un’esplosione termonucleare grazie alle immense masse coinvolte.

Sulla Terra non possiamo fare affidamento sulla gravità per confinare la reazione di fusione, e dobbiamo quindi trovare metodi alternativi, come il confinamento magnetico o inerziale . Studi in questo senso si sono susseguiti dagli anni ’50 fino ai nostri giorni, ma una vera soluzione sembra essere ancora lontana.

O almeno sembrava esserlo fino a due lunedì fa quando nel laboratorio di Lawrence Livermore sono stati accesi in contemporanea i 192 laser che verranno utilizzati per controllare il processo di fusione; questo evento è stato il primo passo verso l’accensione dell’impianto, che avverrà se la prossima fase, prevista entro due o tre anni, avrà successo, provando definitivamente che è possibile riprodurre in laboratorio le condizioni che portano alla fusione di due isotopi di idrogeno in un nucleo di elio.

Il confinamento magnetico è stato inizialmente preferito dagli scienziati, soprattutto a causa della scarsa o nulla conoscenza che si aveva dei laser. L’idea era di utilizzare forti campi magnetici per confinare un caldissimo plasma composto da ioni ed elettroni liberi, in modo da poterlo riscaldare fino ad anche 300 milioni di gradi kelvin. In queste condizioni, un nucleo di deuterio (un protone e un neutrone) e un nucleo di trizio (due neutroni e un protone) possono superare la forza di repulsione causata dai loro protoni e fondersi assieme in un nucleo di elio, contenente due neutroni e due protoni.

Negli anni ’70 si è cominciato a capire meglio il possibile utilizzo della luce laser, e si è cominciato a studiare la possibilità di utilizzare fasci di luce laser per comprimere e riscaldare gli isotopi dell’idrogeno, fino a raggiungerne il punto di fusione. Questa tecnica viene chiamata ICF (inertial confinement fusion), ed è esattamente quella che viene maggiormente sviluppata al NIF.

In questo caso, 192 potentissimi laser vengono focalizzati su una piccolissima “pillola” sferica contenente pochi microgrammi di deuterio e trizio. Il riscaldamento rapidissimo causato dai laser fa si che lo strato esterno del bersaglio esploda.

E, come predetto dalla terza legge di Newton (“Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria”), la parte rimanente del bersaglio viene concentrata verso l’interno da un’implosione simile a quella dei razzi, causando una compressione del carburante interno alla capsula e la formazione di un’onda d’urto, che riscalda ulteriormente il carburante nel centro del bersaglio e dà cosí inizio a un bruciamento autonomo del materiale, anche detto “ignizione”.

La combustione della fusione si propaga verso la regione esterna della capsula, verso il sistema di raffreddamento, molto più rapidamente di quanto la capsula stessa possa espandersi. Contrariamente a quanto avviene per il confinamento magnetico, quindi, il plasma viene confinato dall’inerzia della propria massa, senza bisogno di ulteriore intervento esterno.

Esperimenti di questo tipo sono molto simili a quello che avviene veramente nel cuore delle stelle, e sono quindi di grandissimo interesse scientifico, oltre che pratico, per capire con maggiore precisione processi quali la nucleosintesi stellare o il ciclo di vita ed evoluzione delle stelle.

30 Commenti »

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  • # 1
    davide
     scrive: 

    Ok…per la data del primo test ricordatemi di non stare nei dintorni di San Francisco…..anzi facciamo che mi evito la west coast…
    Comunque affascinante… se si riuscisse a fare ciò avremmo conquistato una delle più grandi sfide dell’umanità…

  • # 2
    Valerio
     scrive: 

    La sfida Europa Vs Usa si rinnova in ogni campo: confinamento Tokamak Vs ICF :D

    “provando definitivamente che è possibile riprodurre in laboratorio le condizioni che portano alla fusione di due isotopi di idrogeno in un nucleo di elio.”

    Questo è gia stato provato da anni :D
    A mio avviso per completezza di informazione l’articolo dovrebbe citare il progetto ITER che tra l’altro si sta ergendo proprio vicino casa nostra, e che ha gia provato quanto detto sopra.

  • # 3
    Sandman
     scrive: 

    ma non mi è chiara una cosa: la reazione poi si autostiene o spegnendo i laser la reazione si ferma?

  • # 4
    Massimo
     scrive: 

    Beh, solo per aggingere che è un bel’articolo, scritto sufficientemente bene e senza forzature.
    Grazie

  • # 5
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    @Sandman
    I laser servono solo per il riscaldamento iniziale. Ovviamente, vanno riaccesi ad ogni ciclo…
    @Valerio
    È vero, è stato provato per il confinamento magnetico, mi sono spiegata male, intendevo dire per la prima volta con questa tecnica.
    @Massimo
    grazie!

  • # 6
    demon77
     scrive: 

    Seguo questo argomento con un interesse immenso anche se sono un profano!

    La riuscita di un simile progetto sarebbe una svolta radicale per l’evoluzione dell’uomo e la salute del pianeta…
    E’ incredibile solo a pensarci.. con una esigua quantità di materiale si otterrebbero enormi quantità di energia a costo bassissimo e totalmente pulita.. che spettacolo!!!

  • # 7
    Stefano
     scrive: 

    :D :D :D :D In Spiderman 2 il Dot. Octopus faceva una cosa del genere e stava per far inghiottire l’intera New York da una stella artificiale :D :D :D :D non ho resistito…comunque ben vengano esprimnti di questo tipo.
    Anzi, mi pare che il nostro Nobel Rubbia ha vinto il titolo proprio per le sue ricerche sulla fusione (in questo caso fredda)

  • # 8
    itjad
     scrive: 

    Da quando sono a conoscenza del progetto passo intere serate ad immaginare possibili utilizzi di un micro-reattore di questo tipo :D…..

    Sto studiando troppa chimica ultimamente……..

  • # 9
    demon77
     scrive: 

    @itjad
    Guarda.. sul MICRO reattore la vedo davvero dura!
    Troppo grossi i numeri in gioco!
    Beh.. oddio dipende da cosa intendi per MICRO! :-P

    Io penso piuttosto a centrali gigantesche che sono in grado di mantenere da sole intere regioni..
    Anche perchè credo che servano sistemi di controllo non indifferenti, non è roba che puoi metterti in cantina eh?? :-D

  • # 10
    Wilfrick
     scrive: 

    Ammettendo che vada tutto bene, per produrre una quantità discreta di energia (per intenderci una quantità necessaria ad una città da un milione di abitanti), quanto “carburante” servirebbe? A quanto ho capito è possibile estrarlo dall’acqua e le quantità sono notevoli… ma… due atomi di partenza si fondono emettono energia e formano un singolo atomo di elio, ma questo processo comincia e si esaurisce in un baleno o ha una sua durata? Non vorrei che alla fine “bruciassimo” tutta la materia prima in pochissimo tempo e ci trovassimo con in mano miliardi di tonnellate di elio inutile, tutto l’idrogeno comsumato, e poi?

  • # 11
    Tobe Bofh
     scrive: 

    @Wilfrick
    Ad esempio potremmo sfruttare l’elio3 presente in quantità praticamente illimitata nella regolite lunare per reazioni di fusione deuterio-elio 3 o elio-elio3.

  • # 12
    Massimo
     scrive: 

    @Stefano:
    Rubbia per niente: Anzi mi ricordo di un’intervista in cui “schifava” un po’ il risultato di Fleshman &C appena annunciato. Era (è?) più per la fusione calda come questa.
    Peccato perchè non se ne sa più nulla …

    Io invece pensavo che a quella temperatura sarà possibile anche fare dell’altro, tipo incenerire le scorie dell’attuale energia nucleare, inoltre usare il “pellet” d’idrogeno semplice per mantenere il ciclo. In fondo anche il deuterio non sarà eterno. Inoltre il trizio che io sappia è molto più raro!

  • # 13
    ser
     scrive: 

    Interessante il metodo.
    Dubito che i laser consumino meno del campo magnetico utilizzato in precedenti esperimenti.
    In fin dei conti ciò che conta è il bilancio energetico finale e se non erro nessuno è mai riuscito ancora a sfruttare la fusione con un bilancio positivo.

  • # 14
    Valerio
     scrive: 

    Non so gli ultimi risultati su NIF, ma il tokamak gia produce più energia di quanto gli se ne immetta (10 volte tanta):

    http://en.wikipedia.org/wiki/ITER

  • # 15
    Gino
     scrive: 

    Il tokamak europeo JET/ITER ha già superato la validazione scientifica e ora è in fase di validazione industriale … vedi link del post precedente.
    In ambito fusione calda gli americani sono praticamente ancora ai primordi e cercano di recuperare terreno … con tecnologia laser peraltro già battuta dal progetto giapp, se non ricordo male.
    Certo è che l’articolo “sensazionalistico”, senza citare lo stato dell’arte, è un po’ come quello sul buco nero del Cern … (a meno che non si intenda il buco nero economico del Cern).
    Cya G

  • # 16
    roby
     scrive: 

    @Wilfrick: non conta la durata del fenomeno ma l’energia che rilascia! Un barbecue brucia per boh mezz’ora ma quanta energia rilascia? Mica tanta…

  • # 17
    fake
     scrive: 

    demon77 avresti mai detto negli anni 50 che nell’ospedale di casa tua ci sarebbe stato un acceleratore di particelle ;)

  • # 18
    v1
     scrive: 

    bravo roby, ma come si fa a sfruttare efficientemente una grande potenza (tanta energia in poco tempo) per produrre un lavoro utile?
    si pensa di usare tutto questo calore con il solito metodo del fluido da vaporizzare per azionare delle turbine?

  • # 19
    Aesyr
     scrive: 

    Eleonora, l’articolo tratta un tema molto interessante, ma hai dimenticat alcuni dettagli non trascurabili:

    * è vero che il deuterio si ricava dall’acqua, ma questo non vale per il trizio, che invece va estratto a partire dal litio con molta energia.

    * non è esatto quando dici che la fusione nucleare è *PULITA*: infatti la fusione nucleare pulita è la fusione Deuterio-Deuterio, che non produce neutroni termici, o un’altra reazione aneutronica. Invece la fusione Deuterio-Trizio (quella che si pensa di usare perchè è la + facile da ottenere) produce neutroni termici, con il risultato di produrre scorie radioattive in quantità simili a quelle di una centrale a fissione.

  • # 20
    Notty
     scrive: 

    affascinante.. chissà che sarà ancora vivo quando inizieranno a costruire la prima centrale per produrre energia elettrica …

  • # 21
    Bellaz89
     scrive: 

    X Valerio

    ITER deve ancora essere costruito, le date per il primo plasma sono per il 2016

    X Aesyr

    Beh, sei sicuro che un reattore D-T produrrebbe tante scorie ? perchè alla fine il grande delle scorie di un reattore a fissione sono elementi transuranici, uranio e plutonio, elementi assenti nei reattori a fusione(e da quanto avevo capito le uniche ‘scorie’ consistevano in materiali attivati del vessel, che comunque decadevano in poche decine di anni).

  • # 22
    Aesyr
     scrive: 

    @Bellaz
    ho detto una cosa non corretta: il problema è l’irraggiamento del contenitore e di eventuali refrigeranti primari, tale da richiedere un decommissioning simile (ed altrettanto problematico) a quello delle centrali a fissione.
    Il problema del combustibile esausto chiaramente non c’è nella fusione.

  • # 23
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    È vero, ho volutamente trascurato l’argomento delle scorie perché servirebbe un altro post solo per quello. Come giustamente avete già fatto presente, non ci sono residui radioattivi dalla fusione, ma se si utilizza il trizio vengono prodotti neutroni che attivano i materiali circostanti. Tali materiali però rimangono radioattivi per molti meno anni rispetto ai residui della fissione (massimo dieci anni contro i centinaia d’anni delle normali centrali), e hanno energie di radiazione nettamente inferiori, per cui sono molto più facilmente gestibili.
    Per quanto riguarda le risorse, è vero che si trova facilmente solo il deuterio, infatti ci sono anche ricerche per fusione D-D, che avrebbe molti vantaggi, ma attualmente è di lontana realizzazione….
    Le difficoltà ci sono sempre, l’importante è continuare a cercare di migliorare la tecnologia e la scienza che ci sta dietro. Deve essere una priorità per l’uomo risolvere il problema energetico.

  • # 24
    arkanoid
     scrive: 

    Il deuterio dite che è contenuto nell’acqu degli oceani, ma in quale forma? Gassosa disciolta? Oppure proprio legato all’ossigeno in acqua pesante? Come lo si separa dal resto?
    P.S. sono sempre scettico su un futuro energetico legato a tecnologie che hanno un potenziale di rischio elevato come questo, ma riconosco che la strada verso la riduzione grandiosa dei consumi segue il ridursi della disponbilità di materia prima per produrre energia a basso csto, cosa che consentirà di buttare tantissima energia per ancora molti decenni o qualche secolo, pertanto è necessario investire capitali importanti in tecnologie che permettano il sostentamento delle richieste crescenti con sistemi meno inquinanti.

  • # 25
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    Il deuterio è un isotopo dell’idrogeno, e in quanto tale ogni toto atomi di idrogeno se ne ha uno di deuterio.
    La fusione nucleare non ha nessun rischio, l’unioco rischio è quello di non riuscire a produrre energia in scala industriale con questa tecnologia, ma non ci sono rischi del genere che spaventano il pubblico.

  • # 26
    Paganetor
     scrive: 

    nel frattempo tornano alla carica con la fusione fredda! :-D
    http://www.corriere.it/scienze_e_tecnologie/09_marzo_23/fusione_fredda_ritorna_f894632c-17b9-11de-b00e-00144f486ba6.shtml

    PS: mi piacciono molto i tuoi articoli, Eleonora! complimenti! ;-)

  • # 27
    Giacomo
     scrive: 

    Se nei prossimi 50 anni non riusciremo a risolvere l’angosciante problema energetico temo che non avremo piu’ problemi di cui preoccuparsi.

    PS
    Ehi ma avete copiato l’idea dal film Spiderman 2, come hanno gia’ fatto notare? ;-)

  • # 28
    Eleonora Presani (Autore del post)
     scrive: 

    X Paganetor:
    Grazie :)

  • # 29
    umberto de boni
     scrive: 

    Bello come azione sperimentale, ma che possa portare a soluzioni per la generazione di energia utilizzabile dall’uomo è pura fantasia

  • # 30
    Massive
     scrive: 

    Molto interessante, per il resto l’importante è realizzare una fusione economicamente vantaggiosa il prima possibile.

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