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La fusione nucleare può salvare la transizione energetica?

La fusione nucleare può salvare la transizione energetica? Come ti giustifichi per favore? Nell’ultimo video Vi abbiamo fornito un’idea del background fisico della fusione nucleare. Ti abbiamo fornito informazioni sulla fisica delle particelle più piccole, dove i nuclei atomici si fondono in nuclei più grandi, rilasciando tonnellate di energia nel processo.

Questo video parla di un progetto gigantesco che dovrebbe mostrare la strada per l’uso tecnico della fonte di energia pulita e inesauribile. Quindi, per una buona ragione, questo progetto ha il nome “ITER”, che è la parola latina per percorso.

Questo percorso ci porterà alla meta? E se sì, per quanto tempo?

L’obiettivo è avvicinare i nuclei atomici di idrogeno in modo che l’interazione forte superi la repulsione elettrica tra i nuclei e avvenga la fusione richiesta. Per fare questo, dovremo colpire i nuclei con grande forza.

In ogni gas, gli atomi si scontrano costantemente e più caldo è il gas, più forte è. Quindi scaldiamolo il più possibile e vediamo cosa succede. A circa 10.000°C, le collisioni sono così forti che gli elettroni vengono strappati dagli atomi: erosione atomica, per così dire. Il risultato è una zuppa molto calda di nuclei nudi ed elettroni liberi. Questa zuppa si chiama “plasma”.

Ora tutto ciò che dobbiamo fare è unire i nostri core gratuiti. Per fare ciò, la temperatura deve essere aumentata di un fattore superiore a 10.000, a circa 150 milioni di gradi.

La frequenza di fusione è maggiore se non lavoriamo con idrogeno quotidiano, ma con deuterio (D) e trizio (T). Deuterio (D) e trizio (T), a differenza del tipo comune di idrogeno, portano anche uno o due neutroni (n) nei loro nuclei. Ciò aumenta la possibilità di fusione. Quindi il nucleo del deuterio è 1p1n e il trizio è 1p2n. Se è già avvenuta una fusione, sarà simile a questa:

1p1n + 1p2n → 2p2n + 1n + energia

Ma anche con deuterio e trizio, a queste temperature folli, solo una piccola parte delle collisioni è abbastanza violenta da stimolare la fusione. Tuttavia, se osserviamo da vicino, vedremo che alcuni dei candidati non avevano nemmeno abbastanza energia per superare il muro della repulsione elettrica, ma erano comunque fusi!

Le particelle possono farlo? Questo non contraddice la legge di conservazione dell’energia? In qualche modo, ho scavato un tunnel attraverso il muro invece di scavalcarlo! È qui che entra in gioco la madre della fisica quantistica, il Principio di Indeterminazione. Di conseguenza, a volte la particella non sa esattamente dove si trova e poi si ritrova improvvisamente all’interno della parete del cratere. Con il risparmio energetico, questo va bene, perché non si trova a tutta altezza dal bordo del cratere alle profondità.

prodotto di fusione 2p2n è il nucleo del gas elio, che troviamo anche sul Sole, e n È un singolo neutrone che vola molto velocemente e fa la parte del leone dell’energia e Porta con sé, che è diventato libero di integrarsi. Possiamo utilizzare questa energia per generare elettricità dopo alcuni passaggi intermedi.

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A proposito, il trizio richiesto, a differenza del deuterio, non è disponibile come materia prima naturale. Questo perché il nucleo è instabile e si decompone spontaneamente, con un’emivita di 12 anni. Quindi dobbiamo fare le cose in qualche modo e poi dobbiamo stare attenti alla loro radioattività. Ma questi sono ostacoli minori rispetto al resto della nostra storia.

Dammi 150 milioni di punteggi e andiamo. – Sfortunatamente, c’è un problema. Mentre possiamo mettere un pezzo di metallo sul tavolo, versiamo del liquido in un contenitore, pompiamo il gas in una bottiglia, con il plasma dobbiamo stare attenti a non toccare le pareti del contenitore. O si raffredda durante il processo o il contenitore evaporerà – in entrambi i casi, il plasma andrà perso.

E come funziona sul sole?

E come funziona sul sole? È composto quasi interamente da plasma, vero? Il sole tiene insieme il plasma attraverso la sua immensa gravità. Non puoi farlo sulla Terra.

C’è un trucco: il magnetismo. I nuclei atomici e gli elettroni che compongono il plasma sono caricati elettricamente e si muovono molto rapidamente. Le particelle elettriche deviano dal loro percorso nei campi magnetici e sono sempre perpendicolari al movimento istantaneo e perpendicolari alle linee magnetiche. Quindi si muovono in un cerchio o in una spirale attorno alle linee magnetiche. Quindi gli atomi e gli elettroni possono volare in avanti senza ostacoli parallelamente alle linee magnetiche. Quindi, prendi un tubo e lo metti nel senso della lunghezza in un campo magnetico. Ora è più difficile che il plasma penetri nelle pareti del tubo, ma è libero di muoversi longitudinalmente.

Tuttavia, quando il plasma raggiunge le facce terminali del tubo, la magia finisce. Ricercatori intelligenti in Russia ora piegano un tubo del genere in un anello e saldano insieme le estremità aperte. Poi sembrava una “ciambella”, all’interno della quale c’è un campo magnetico invece di una marmellata. Hanno chiamato la struttura Tokamak.

Metti del gas in un tokamak, applichi un campo magnetico, riscaldi tutto fino a 150 milioni di gradi e attendi la fusione nucleare. Nel corso di sei decenni, alcune dozzine di queste macchine sono state costruite in diversi paesi. “E” ora chiederai: “La fusione nucleare è davvero avvenuta?” Ci sei riuscito? “

La fusione nucleare funziona?

In linea di principio sì, ma ottieni sempre meno energia di quella necessaria per riscaldare il plasma. Questo rapporto, il fattore Q, è sempre stato inferiore a uno. Tuttavia, uno non ha perso la speranza. Ho imparato che più grande fai la cosa, migliori sono le probabilità.

E così si è deciso di costruire ITER, il jumbo per tutti i tokamak, che si spera non diventi un elefante bianco. Il diametro del cerchio è di 12 metri è buono. Se ora immagini questa “ciambella” come una ghirlanda che avvolge un nastro avvolto a spirale, ti farai un’idea delle bobine magnetiche lì utilizzate.

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Tuttavia, non è fatto di chiffon rosso, ma di un composto chimico di niobio-stagno (Nb3Sn). Potresti giustamente chiederti: perché questa complessità? Perché non solo rame, come tutte le altre bobine? Il rame metallico ha una resistenza elettrica molto bassa! Questo può essere vero, ma Nb3Sn ha meno resistenza, cioè nessuna. È un “superconduttore”. La corrente, una volta spinta, continua a fluire da sola.

Tuttavia, questo ha il suo prezzo. Tutti i superconduttori devono essere mantenuti a una temperatura molto bassa, in questo caso quattro gradi sopra lo zero; Tuttavia, al di sopra dello zero assoluto, questo è anche meno 269 gradi Celsius. Mantenere così tante tonnellate di materiale a questa temperatura estremamente bassa è una grande sfida per gli ingegneri ed è solo una delle tante formule per la superiorità tecnologica e record mondiali da raggiungere quando si costruisce ITER.

In termini di dimensioni, peso e complessità, la costruzione di questa macchina è senza dubbio uno dei progetti più complessi che l’umanità abbia mai intrapreso. Raggiungerà il suo obiettivo? E se sì, quando?

I lavori di sterro per costruire ITER sono iniziati nel sud della Francia nel 2008. La costruzione del dispositivo doveva richiedere 10 anni e la prima “produzione di plasma” era prevista per il 2020. Questa pietra miliare fornirebbe la prova che il toro potrebbe effettivamente ospitare plasmi e che i campi magnetici , vuoto, correnti, ecc. si comportano effettivamente come calcolato. Tuttavia, a questo punto, siamo ancora a chilometri dalla prima fusione, poiché le temperature dovrebbero essere mille volte superiori.

Questa prima fusione era originariamente prevista per il 2023. Tuttavia, l’ultima tabella di marcia prevede di raggiungere il primo plasma nel 2025 e la prima fusione completa nel 2035. Le pietre miliari vengono chiaramente spinte verso il futuro a grandi passi, il che non sorprende data l’assoluta complessità per la macchina.

Nel 2035 avremo una macchina in grado di fornire quantità infinite di elettricità pulita?

Dopotutto, se funziona nel 2035, abbiamo la macchina che fornirà quantità infinite di elettricità pulita? Adesso dobbiamo tirare fuori il gatto dalla borsa: la risposta è no. L’obiettivo dichiarato di ITER è produrre un plasma di deuterio-trizio in cui viene generata una potenza di fusione di 400 megawatt per un periodo di 400 secondi, con un massimo di 40 megawatt alimentati per riscaldare il plasma. Se ciò sarà raggiunto nel 2035, come previsto, ITER avrà fatto la sua parte.

Le esperienze con ITER devono confluire in una macchina chiamata “DEMO”, che deve convertire l’energia da fusione in energia elettrica di almeno 500 megawatt. Si spera che duri più di 400 secondi. Tuttavia, DEMO è solo a scopo illustrativo e non per l’alimentazione di routine nella rete.

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Usiamo un’analogia per dimostrare l’ardua progressione verso il potere della fusione: rispetto alla rotta verso il normale viaggio aereo globale di passeggeri, l’esperimento di fusione pianificato da ITER per il 2035 è equivalente al primo volo dei fratelli Wright, della durata di quasi 400 secondi, all’inizio 1900. È stato dimostrato che oggetti più pesanti dell’aria possono volare in modo controllato.

Se il pilota che è succeduto a ITER dovesse raggiungere il suo obiettivo, corrisponderebbe al primo volo senza scalo attraverso l’Atlantico da Terranova all’Irlanda nel 1919. Ma ciò che alla fine è richiesto è l’uso di routine dell’energia da fusione su scala industriale, che è, senza i problemi di traffico a lunga distanza, per così dire, è diventato una realtà a metà degli anni ’60 con il Boeing 707 e da allora è in continuo miglioramento.

Un’altra considerazione può essere presa qui: i geni erano dietro la maggior parte delle opere d’arte storiche. Senza Ferdinand Porsche non ci sarebbe la Volkswagen, senza Werner Braun non ci sarebbe lo sbarco sulla luna e senza Elon Musk non ci sarebbe oggi la Tesla Roadster in orbita attorno al sole. Questi uomini hanno perseguito e raggiunto gli obiettivi prefissati con eccezionale ossessione e intelligenza. Questi tratti della personalità non possono essere sostituiti da miliardi e miliardi. Al contrario: forse tutti quei soldi attirano i personaggi sbagliati.

Torniamo quindi alla domanda che ci siamo posti all’inizio: la fusione nucleare fornirà la transizione energetica? Sostituirà presto la fornitura in frantumi di carbone e nucleare? ovviamente no.

Genererà grandi quantità di elettricità a medio termine? Sulla strada intrapresa da ITER, potrebbe non essere prima del 2075.

Ci sono anche segnalazioni di altre azioni, di startup promettenti. Potrebbero essere più veloci? Sarebbe un miracolo.

È del tutto possibile che l’utilizzo della fusione per generare elettricità non sia tecnicamente fattibile. Questo può essere tecnicamente fattibile ma non economico. In ogni caso, sarebbe inconcepibile vedere la fusione come un fattore realistico nell’odierna pianificazione energetica strategica.


Il Dr. Hans Hofmann-Reinecke ha studiato fisica a Monaco e poi ha lavorato nella ricerca in fisica nucleare per 15 anni. Negli anni ’80 ha lavorato per l’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA) a Vienna come ispettore di salvaguardia. Oggi vive a Cape Town.

Maggiori informazioni sull’argomento nel blog dell’autore Think-Again


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