29 novembre 2022

La paura del nucleare e i progressi della fusione

Istruzioni per l'uso verso la transizione ecologica

Se chiedessimo a un anziano ingegnere nucleare di indicare due date che hanno cambiato per sempre il suo lavoro, è molto probabile che scelga il 26 aprile 1986 e l’11 marzo 2011. A prescindere dalle convinzioni personali, è indubbio che gli incidenti di Chernobyl e Fukushima abbiano cambiato la storia del nucleare, aumentando il senso di paura e diffidenza verso questa fonte di energia. Tutto questo, purtroppo, ha coinvolto anche altri meccanismi, come quello della fusione nucleare: quest’ultima si basa su un meccanismo differente dalla fissione, tale per cui gli incidenti avvenuti con i reattori a fissione non possono avvenire in un reattore a fusione. Ad alimentare le paure riguardanti il tema, ha contribuito anche l’uso della fusione nucleare per la costruzione di bombe a idrogeno (o bombe H), ottocento volte più potenti delle bombe atomiche rilasciate su Hiroshima e Nagasaki. Ciò ha legittimato il sospetto per cui, in caso di malfunzionamento, un reattore a fusione nucleare possa esplodere in modo catastrofico. Anche questo, in realtà, non è possibile in quanto per ottenere una bomba, bisogna costruire una bomba: servono condizioni molto particolari, che possono essere ottenute solo se quello è lo scopo di ciò che si sta costruendo.

 

Queste motivazioni sono le poche di una serie molto più lunga che, negli anni, hanno contribuito ad alimentare la paura verso il nucleare, senza alcuna distinzione tra fusione e fissione. Lo scopo di questo articolo è dunque quello di mostrare le differenze tra questi due meccanismi, evidenziando i vantaggi della fusione in termini energetici, al fine di comprendere e arginare le paure legate allo strumento con cui tutte le Stelle brillano nel cielo.

 

Se volessimo spiegare brevemente la differenza tra fusione e fissione nucleare, in sintesi diremmo che la fissione nucleare avviene quando un nucleo di un atomo viene “rotto” in due nuclei più leggeri, mentre la fusione nucleare avviene quando due nuclei si uniscono nel formare un nucleo più grande. In entrambi i casi, e sotto le opportune condizioni, viene prodotta energia. Ma quali sono queste condizioni? I fisici nucleari ci insegnano che, se mettessimo in fila tutti gli elementi della tavola periodica, il Ferro avrebbe un ruolo speciale: infatti, delimita quando è energeticamente favorevole la fusione e quando la fissione. In particolare, per tutti gli elementi più leggeri del Ferro, la fusione è un processo che porta alla produzione di energia mentre la fissione richiede energia per avvenire. Viceversa, per gli elementi più pesanti è vero l’opposto; ciò significa che se riuscissimo ad unire due nuclei di idrogeno, formandone uno di elio, la Natura ci ringrazierebbe rilasciando una precisa quantità di energia; se invece volessimo separare un nucleo di elio per formarne due di idrogeno, allora bisognerebbe restituire quella quantità di energia. Allo stesso modo, se prendessimo un elemento più pesante del Ferro e lo colpissimo con dei neutroni, potremmo fissionarlo in due elementi più leggeri con conseguente rilascio di energia.

 

Tenendo presente che l’elemento più pesante a nostra disposizione è l’Uranio, notiamo il primo problema tecnico legato alla fusione: purtroppo – ad oggi –- non si trova sotto casa. Al contempo, per la fusione nucleare bisogna utilizzare elementi leggeri e il primato questa volta appartiene all’Idrogeno, che fortunatamente possiamo trovare nell’acqua ancora a disposizione negli oceani. Un vantaggio non secondario, inoltre, è legato alla produzione di scorie: mentre la fissione nucleare produce, oltre a una quantità molto grande di energia, anche una piccola quantità di residui radioattivi che nessuno vuole avere vicino casa, la fusione produce principalmente Elio che presenta molte applicazioni: sebbene la prima a cui pensiamo siano i palloncini o le vocine buffe, l’Elio è in realtà fondamentale in moltissimi ambiti: tra questi i più importanti sono sicuramente la ricerca, la medicina e l’industria; è indispensabile infatti per la realizzazione di semiconduttori e per la lavorazione dei metalli, viene utilizzato nelle macchine per la risonanza magnetica o, ancora, in ambito aerospaziale per il lancio di razzi.

 

Allora perché continuiamo ad utilizzare le centrali a fissione nucleare e non quelle a fusione? La risposta è che, purtroppo, non siamo ancora capaci di utilizzare la fusione in modo efficiente, ovvero producendo più energia di quella che utilizziamo. La difficoltà di questo processo consiste nel convincere due nuclei atomici a stare abbastanza vicini da unirsi in un solo nucleo. Sappiamo che i nuclei sono composti da protoni e neutroni: i protoni presentano carica elettrica positiva, ma le cariche elettriche dello stesso segno tendono a respingersi; dunque, bisogna trovare il modo di confinare questi nuclei in una regione abbastanza piccola, riscaldare il sistema e costringere le particelle ad avvicinarsi al punto di scontrarsi di tanto in tanto: questo permetterebbe la fusione di due nuclei.

 

C’è da chiedersi quindi perché se due nuclei sono abbastanza vicini, anziché respingersi ancora, rimangono uniti in un solo nucleo. Questo è dovuto alla forza nucleare forte: sebbene due cariche elettriche uguali si respingano a causa della forza elettrica – che è a lungo raggio – la forza nucleare forte, invece, attrae due protoni e, come dice il suo nome, è più forte della forza elettrica; il problema è che si tratta di una forza a corto raggio: affinché possa tenere uniti due protoni, è necessario che questi siano molto vicini.

 

Nonostante il processo sia concettualmente semplice – e infatti il Sole lo usa senza difficoltà da quattro miliardi di anni per mantenerci al caldo qui sulla Terra – la realizzazione non è per nulla facile, secondo il più tipico dei clichés per cui pratica e teoria non vanno mai d’accordo.

 

Per raggiungere l’obiettivo, abbiamo dunque bisogno di due ingredienti: il plasma e la tecnologia per confinarlo.

 

Ma cos’è il plasma? Si tratta di un gas fortemente ionizzato, ma globalmente neutro; pensiamo ad esempio all’acqua allo stato liquido: aumentandone la temperatura, raggiungeremo il punto di ebollizione ed avverrà un passaggio di stato da liquido a gassoso. Se questo gas venisse riscaldato ulteriormente, verrebbe ionizzato. In questo modo otterremmo ioni positivi ed elettroni, all’incirca nello stesso numero. Questo stato della materia prende il nome di plasma.

 

Una volta prodotto il plasma, la vera sfida è il confinamento: per far questo si utilizzano magneti molto potenti e si sfruttano particolari geometrie che creano campi elettromagnetici adatti al confinamento delle particelle. Tra i vari sistemi, i più efficienti sembrano essere gli Specchi Magnetici e i Sistemi Toroidali.

 

Nonostante i primi abbiano dato buoni risultati nel tempo, oggi si crede che i migliori candidati per la fusione siano i secondi.

 

I sistemi toroidali sono configurazioni a forma di ciambella che sfruttano grossi magneti per produrre forti campi. Tuttavia, ciò non sarebbe sufficiente a confinare le particelle in una regione. Bisogna prendere qualche accorgimento che modifichi le linee di campo magnetico e costringa le particelle a seguire un’orbita chiusa: le cosiddette orbite a banana, dalla forma delle suddette. I reattori costruiti secondo questo criterio prendono il nome di Tokamak, acronimo russo che sta per “camera toroidale con spire magnetiche”. Questo reattore venne concettualizzato negli anni ’50 in Russia ed entrò in funzione per la prima volta nel ’58. Dopo diversi decenni, negli anni Ottanta si capì che l’unica speranza di raggiungere il breakeven point – ovvero il punto per cui l’energia prodotta corrisponde all’energia utilizzata nel processo – era quella di unire gli sforzi, piuttosto che agire singolarmente.

 

Alla luce di queste considerazioni, un accordo voluto da Reagan e Gorbachev portò alla nascita di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). ITER è un progetto internazionale che ha per obiettivo la realizzazione del più grande Tokamak della storia entro il 2025. Nel lungo periodo, il progetto si pone come obiettivo di dimostrare la possibilità di produrre energia in modo economicamente favorevole. Secondo le attuali stime, ITER dovrebbe produrre energia con un fattore di guadagno pari a 10: ciò significa che potrebbe produrre 10 volte l’energia utilizzata per ottenere la fusione. Per confronto, attualmente il record appartiene al National Ignition Facility che ha prodotto energia dalla fusione con un fattore di guadagno pari a 0.7: ciò significa che solamente il 70% dell’energia utilizzata è stata recuperata e dunque nessun guadagno è stato ottenuto; a noi, quanto meno, piacerebbe riavere indietro l’energia consumata nel processo!

 

Al progetto ITER partecipano UE, Cina, India, Russia, Giappone e USA. La costruzione del reattore è attualmente in corso in Francia: la scelta di questa nazione premia anche la decisione dei francesi di non lasciar vincere la paura per il nucleare dopo gli incidenti citati sopra, mantenendo attive 19 centrali a fissione. Ad oggi le previsioni più ottimistiche dicono che la fusione su scala industriale sarà ottenuta non prima del 2050: questa data corrisponde anche con l’obiettivo prefissato dalla Commissione Europea per il raggiungimento di una economia climaticamente neutra. Poiché la fusione produce una quantità molto ridotta di isotopi radioattivi (in particolare il Trizio) e nessun gas serra, rappresenta un ottimo candidato per la produzione di energia pulita.

 

Pertanto, nonostante le previsioni non siano delle più rosee, se ITER riuscirà a centrare l’obiettivo prefissato, la fusione avrà un ruolo da protagonista nella transizione ecologica.

 

La scoperta della reazione nucleare non implica la distruzione del genere umano più di quanto non faccia la scoperta dei fiammiferi (Albert Einstein)  

 

Per saperne di più:

Un libro di carattere divulgativo a sostegno del nucleare è L’avvocato dell’Atomo. In difesa dell’energia nucleare di Luca Romano.

Per qualcosa di più tecnico e specialistico, si può consultare Plasma Physics for Controlled Fusion di Kenro Miyamoto, anche se è richiesto un livello di conoscenza della Fisica pari al secondo anno delle Università di carattere scientifico.

Per approfondire gli obiettivi climatici europei entro il 2050, è possibile utilizzare il seguente link che rimanda al sito della Commissione Europea: https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2050-long-term-strategy_it

 

Immagine da Pixabay - Libera per usi commerciali


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