Fusione seconda puntata

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1 Fusione seconda puntata Dopo le spiegazioni dell altra volta possiamo parlare finalmente di fusione, nucleare Come due auto che si scontrano: volano i pezzi (neutroni) scoppia un sacco di energia e si produce un rottame (elio) Partiamo dalla... fine del processo: l energia viene messa in rete attraverso un generatore che vien mosso da una turbina alimentata con del vapore a sua volta generato attraverso uno scambiatore di calore. Questa parte dell impianto è sostanzialmente la stessa di tutte le centrali sia nucleari a fissione che convenzionali a combustibili fossili che conosciamo. La differenza principale è che il fornello, ossia ciò che produce calore non è un bruciatore che impiega un combustibile fossile (gas, carbone, petrolio) o il nocciolo di un reattore nucleare a fissione, ma è un impianto a fusione nucleare. Ci interessa qui comprendere cosa succede dentro questo impianto e cosa si sta facendo per ottimizzare questo processo di fusione. Le reazioni che avvengono dentro il reattore a fusione consistono nella fusione nucleare di atomi leggeri che producono dei sottoprodotti ed energia che si manifesta sotto forma di energia cinetica (movimento) degli atomi oltre a particelle prodotto della reazione. La sezione d urto Se consideriamo quella che i fisici chiamano sezione d urto ossia la probabilità che avvengano reazioni fra diverse coppie di reagenti: più elevati sono gli urti e maggiore probabilità ci sarà che avvengano le reazioni di fusione. Nella figura della pagina successiva si può vedere che fra le varie coppie di reagenti quella che spicca più di altre è quella costituita da Deuterio e Trizio (curva rossa D T) che sono due isotopi dell idrogeno. Questi fondono insieme producendo una particella alfa e un neutrone con 17 MeV di energia che si manifesta sotto forma di energia cinetica dei prodotti. Vedi figura sottostante. La ripartizione di energia è inversamente proporzionale alle masse e visto che il rapporto fra le masse è 1:4, l elio si prenderà un 1/5 dell energia e il neutrone 4/5 dell energia quindi il neutrone avrà circa 14,1 MeV e l elio avrà circa 4,5 MeV. Questa ripartizione dell energia 13

2 Nel grafico sono riportate le sezioni d urto fra le diverse coppie di reagenti: D T = deuterio - trizio D 3 He = deuterio - elio 3 P 11 B = protoni - boro D D = deuterio - deuterio Li 3 He = litio - elio3 T 3 He = trizio - elio3 T T = trizio - trizio D 3 He = deuterio - elio3 Sull asse orizzontale viene riportata l energia cinetica in migliaia di ev (kev) sull asse verticale la sezione d urto (barn). Come si può notare la linea rossa del DT è quella che sviluppa la massima sezione d urto. La sezione d urto è indicata in barn = cm 2 ; è un'unità di misura per l'area, utilizzata in fisica nucleare e subnucleare, insieme ai suoi sottomultipli 14 non è di poco conto perché il neutrone da fissione delle tradizionali centrali atomiche hanno una energia di circa 2-2,5 MeV, in questo caso i neutroni sono molto più energetici, più veloci e producono nelle strutture del reattore attraversate dal flusso neutronico degli effetti che se non adeguatamente considerati a livello di progettazione possono danneggiare le strutture del reattore. Come sempre accade nella realtà, le reazioni non sono mai pure nel senso che avvengono anche altre reazioni collaterali. Anche nel reattore nella pratica possono avvenire altre reazioni ad esempio: deuterio - deuterio oppure deuterio - elio3. Se facciamo una miscela Deuterio Trizio un canale di fusione sarà fra atomi di deuterio (D - D) un altro con l elio3 (D - H 3 ) con probabilità del 50% ciascuno. Il 50% di elio3 a sua volta parteciperà alla fusione fra l elio3 e deuterio generando altri sottoprodotti. Nelle probabilità di fusione quella fra deuterio e trizio è estremamente più elevata di ogni altra reazione. Nel mondo atomico energia = velocità = temperatura Il picco della sezione d urto DT si colloca fra i 10 e i 100 kev (vedi fig. sopra) 1 ev corrisponde a circa gradi K, (il Kelvin è praticamente analogo in questo caso ai C dai quali differisce solo per circa 293,15 ). Quindi 10 kev sono 100 milioni di gradi Kelvin Ecco perché i nostri reagenti dovranno essere portati a temperature di questo ordine. Come avviene la reazione di fusione Abbiamo dei nuclei carichi positivamente uno di deuterio e uno di trizio il primo composto da un protone e un neutrone, il secondo da 1 protone 2 neutroni, le loro cariche nette sono positive, quindi se cerchiamo di avvicinarle per farle fonderle, le forze di repulsione elettrostatiche (come avviene per i poli dello stesso segno di una calamita) fanno sì che queste particelle si respingano.

3 Mettendo in un grafico (fig. sotto) questo fenomeno, vediamo che a distanza infinita questa forza è molto bassa prossima a zero, man mano che io cerco di avvicinare le due particelle la loro energia di repulsione aumenta sinché a un certo punto se il sistema non ha abbastanza energia non riuscirò a superare questa cuspide, questa collina che è una barriera di potenziale. Se invece ho abbastanza energia perché le particelle posseggono abbastanza energia cinetica, risalgono la collina sino a portarsi a distanze tali, ossia così vicine, per cui entrano in gioco, non solo le forze di repulsione elettrostatiche che restano comunque presenti, ma anche le forze di attrazione nucleare che agiscono su distanze dell ordine di grandezza delle dimensioni del nucleo e che sono attrattive e vincono le forze di repulsione elettrostatiche portando così a fondere gli atomi. Questo sistema è caratterizzato inizialmente da energia totale negativa (assorbe energia) infatti si può vedere che quando la barriera è stata superata diventa una buca di potenziale. Quindi quando le particelle si trovano ad una distanza inferiore dell ordine delle dimensioni del nucleo atomico formano un composto legato con produzione di energia e di altri prodotti come la particella alfa e il neutrone. Ciò che dobbiamo fare quindi è fornire abbastanza energia alle nostre particelle perché vincano la repulsione elettrostatica o Coulombiana perché hanno carica uguale. Per questo dobbiamo portarle a temperature alte che vuol dire energia alta per scavalcare la barriera di potenziale e fondersi. Energia di repulsione fra due protoni in funzione della loro distanza 6,5x10 5 ev Distanza fra due protoni in femtometri e - Cariche elettriche fuori dal campo magnetico Nel sole questo fenomeno avviene attorno ai 15 milioni di gradi essendo a densità molto superiori, mentre sulla terra per le condizioni di laboratorio abbiamo bisogno di milioni di gradi. Ma un composto formato da D e T a milioni di gradi deve essere necessariamente confinato Non possiamo lasciarlo libero di muoversi all interno del nostro reattore con delle pareti solide, che sono realizzate con materiali che per quanto resistenti alle temperature più alte come tungsteno, berillio, sono solidi sino attorno ai C, con 150 milioni di gradi non c è possibilità di confinare meccanicamente questo tipo di reagente. La natura mette a disposizione diversi meccanismi di confinamento, il confinamento gravitazionale: è quello che avviene nelle stelle ma non è realizzabile sulla terra. Questo principio sfrutta il fatto che grandi masse grazie alla compressione gravitazionale si riscaldano raggiungendo le condizioni di fusione e danno luogo alla accensione delle stelle. Si realizza un bilanciamento fra la pressione cinetica data dalla temperatura del gas che tende ad espandersi e la pressione gravitazionale che tenderà a comprimerlo mantenendo in equilibrio la stella sulle dimensioni caratteristiche conseguente all equilibrio di queste due forze. Questo non è realizzabile sulla Terra a meno di bruciare completamente la Terra. Quello che invece si può fare è sfruttare un confinamento cosiddetto inerziale o magnetico. Ciò che si fa con ITER è quest ultimo. Il gas ad alta temperatura non si trova in condizioni elettricamente neutre ma è composto da ioni ossia particelle caricate elettricamente, si può sfruttare la forza di Lorentz per confinare queste particelle. In pratica se immergiamo in un campo magnetico il plasma, le particelle cariche tenderanno a stare attorno alle linee di campo magnetico. Effetto Lorentz Con la loro velocità e con il campo magnetico prodotto si creerà una forza Cariche elettriche dentro un campo magnetico 15

4 che le confinerà attorno alle linee di campo magnetico. E un processo che confina solamente le particelle cariche elettricamente e quindi per portare il plasma a temperature richieste è necessario un riscaldamento attivo ossia fare qualcosa per riscaldare i plasma. Si possono produrre anche plasmi freddi, a K, nei neon abbiamo plasmi di circa 1 ev, è un gas non molto ionizzato, ma già risente del campo magnetico. In un reattore non ci bastano K bisogna trovare i modo di aumentare questa temperatura. Così grazie alla scoperta di Lorentz se faccio passare corrente attraverso un conduttore avvolto a spire (solenoide) al suo interno si crea un campo magnetico che mantiene in sospensione (confinamento) le particelle cariche elettricamente (plasma) Nella figura sopra: I è la corrente elettrica, le linee blu sono il campo magnetico Il confinamento avviene attraverso il campo magnetico, se le particelle sono obbligate a stare lungo le linee di campo magnetico, prima o poi le particelle vanno a sbattere contro le pareti. Bisogna trovare i modo di non farle sbattere, il modo più semplice è quello di prendere queste linee di campo magnetico e chiuderle a ciambella in maniera che la particella che sta attorno a questa linea di campo magnetico continui a muoversi attorno ad essa senza mai andare a toccare le pareti del reattore. Ed è per questo che i reattori da 16 fusione termonucleare a confinamento magnetico hanno la caratteristica forma toroidale sono cioè delle ciambelle. Intorno alle camere che fisicamente contengono il plasma ci sono degli avvolgimenti magnetici che hanno la funzione di produrre il campo magnetico per il confinamento e altri tipi di campi magnetici (vedi foto sopra) Cerchiamo ora di capire come riscaldare il plasma. Ci sono tre tipi di riscaldamento principale. Il primo è riscaldamento Ohmico che segue la tipica legge di Ohm quella che vale anche quando accendiamo una lampadine V = r x I Ossia la tensione (Volt) = resistenza (Ohm) x Intensità di corrente (Ampere) Il plasma è un conduttore, se facciamo passare al suo interno una corrente, il plasma come tutti i conduttori, si riscalda. La potenza che riusciamo ad accoppiare al plasma è pari a P = r x I 2 Potenza (Watt) = r è la resistenza del plasma (Ohm) e I è la corrente di plasma (Ampere) Ma c è un problema. La resistenza r in un conduttore normale, ad esempio il rame, man mano che si riscalda cresce ed oppone quindi sempre più resistenza, quindi si riscalda e assorbe sempre più potenza. Un esempio di questo fenomeno sono le stufette elettriche o i forni lettrici. Nel plasma invece man mano che si riscalda, la sua resistenza si abbassa, quindi mano a mano che aumentiamo la temperatura del plasma, la resistenza del plasma diminuisce e quindi dobbiamo aumentare sempre di più la corrente per accoppiargli più potenza. Praticamente al di sopra del kev, ossia ev, non riusciamo più ad accoppiare potenza al plasma perché la resistenza (resistività) cala più velocemente di quanto noi riusciamo da aumentare la corrente. Quindi se raddoppiamo la corrente I di plasma pensando di crescere di un fattore 4 la potenza accoppiata (vedi formula della Potenza in cui P cresce col quadrato di I), nella realtà ac- Nella foto del Consorzio RFX (Padova) vista un po dall alto si vede la forma toroidale con tutti gli avvolgimenti magnetici che sono intorno, un po di alimentazioni che arrivano da sotto, si vedono gli oggetti che servono a misurare le caratteristiche di plasma, tipicamente la temperatura, la densità e la qualità del confinamento sotto diverse forme. Queste sono le tre quantità che interessano principalmente.

5 coppiamo solo il 5% in più al plasma. Quindi non riusciamo a depositare la nostra potenza nel plasma al di sopra del kev. ITER o i più grandi esperimenti lavorano con correnti di plasma di circa 10 milioni di Ampere (per capirci nelle prese elettriche di casa nostra si prevedono 16 Ampere). E evidente che aumentare le correnti circolanti fa aumentare gli sforzi sulle strutture per l accoppiamento corrente-campo magnetico ma non aumenta l efficienza di riscaldamento del plasma. Bisogna trovare qualcos altro. Uno degli altri modi è quello di accoppiare potenza mediante radiazioni a frequenza opportuna. Le particelle si muovono nel plasma con delle frequenze caratteristiche, se noi mandiamo delle onde alle frequenze corrette di risonanza caratteristiche del plasma, queste onde depositano la loro potenza nel plasma aumentando la velocità delle particelle, in sostanza aumentando la loro temperatura. Frequenze caratteristiche per gli ioni sono dell ordine di 50 MHz frequenze caratteristi degli elettroni 50 GHz. Stiamo parlando di potenze dell ordine della decina di MW (mega watt ossia milioni di watt) che dobbiamo accoppiare la plasma. Accoppiare MW a queste frequenze non è comunque semplice o agevole. Terzo metodo di riscaldamento E l iniezione di particelle veloci all interno del plasma con cessione di energia al plasma per collisione. Lo schemino esemplificativo è quello del biliardo: una palla bianca molto veloce mette in movimento le quindici palle colorate che sono ferme, se diamo abbastanza tempo affinché la palla bianca faccia muovere tutte le altre avremo alla fine un sistema di 16 palle che si muovono tutte quante alla stessa velocità ed alla stessa temperatura. In altre parole se iniettiamo nel plasma poche particelle ma molto veloci, e riusciamo a confinare queste particelle veloci per tempi abbastanza lunghi, dopo un certo tempo avremo la termalizzazione delle particelle veloci ossia l innalzamento della temperatura media del plasma. Producendo abbastanza particelle veloci potremo regolare la temperatura del plasma fino a portarla in condizioni di reazione. Ma questo è quello che accade dentro il reattore. Vediamo cosa accade attorno al reattore. Abbiamo visto che Deuterio e Trizio producono una particella alfa che ha una carica elettrica ed anch essa sarà confinata all interno del plasma attraverso i campi magnetici oltre ad un neutrone che, essendo neutro sfugge al campo magnetico. Dove va a finire questo neutrone che tra l altro si porta i 4/5 dell energia prodotta? Viene frenato e rallentato in quella struttura posta attorno al reattore che poi dobbiamo raffreddare per produrre il vapore che fa andare la turbina e produrre l energia elettrica. Dove facciamo frenare il neutrone? lo facciamo in un blanket che è una struttura posta tutta intorno la reattore. Come è fatta? intanto deve essere dimensionata con lo spessore di uno due metri in base alla distanza di frenamento del neutrone all interno del blanket. Cosa ci mettiamo intorno: ci mettiamo litio: solo litio o litio contenuto in sfere di piombo: è ancora in studio questa fase. ITER serve anche chiarire questo aspetto. Blanket: in Iter è costituito da 440 moduli che rivestono completamente le pareti interne del vessel (la camera a vuoto dove circola il plasma) e proteggono la struttura in acciaio e i magneti di campo toroidali superconduttori dal calore dai neutroni ad alta energia prodotti dalle reazioni di fusione. Quando i neutroni vengono rallentati nel blanket (lett. coperta), la loro energia cinetica viene trasformata in energia termica e raccolta dal refrigerante dell'acqua. In una centrale elettrica a fusione, questa energia sarà utilizzata per la produzione di energia elettrica. Ogni modulo misura 1 m x 1,5 m e pesa oltre 4,6 tonnellate. Ma ci sarà sicuramente del litio perché il litio, in particolare il 6 Li che è un isotopo del litio presente in circa nel 92% nella crosta terrestre, venendo in contatto con il neutrone che arriva gratis dalla reazione di fusione, produce una particella alfa, di cui ne abbiamo già tante, ma produce anche il trizio che è uno dei reagenti che bisogna iniettare all interno del reattore. Questa cosa non è secondaria, perché il trizio è un elemento radioattivo, con tempo di dimezzamento di 11 anni circa. Ciò significa che se oggi ho un kg di trizio, fra 11 anni ne avrà mezzo kg, fra 22 anni ne avrò 250 grammi e nel giro di 100 anni non avrò più trizio. Il trizio che c era 17

6 sulla terra quando si è formata cinque miliardi di anni fa, oggi non c è più ed in natura il trizio praticamente non esiste se non in tracce. Abbiamo quindi bisogno di qualcuno che ci produce il trizio. Essendo materiale radioattivo se avessimo una centrale di produzione da qualche parte dovremmo metterlo su dei camion e trasportare questo materiale radioattivo con tutti i problemi di sicurezza nel trasporto per portarlo alla centrale a fusione per alimentare il reattore a fusione. Sfruttando questo tipo di reazione invece, i materiali che approvvigioneranno la centrale saranno il deuterio che si trova nell acqua di mare ed è un isotopo stabile dell idrogeno che non dà questo tipo di problemi, e il litio che si estrae dalla crosta terrestre ed anche dall acqua di mare. Questi due serbatoi di combustibili primari, permetteranno al deuterio di entrare nella camera di scarica ed al litio di riempire il volume del blanket e, tramite la reazione di fusione già rappresentata, aver la produzione di trizio per alimentare la centrale a fusione. Quindi al di fuori della centrale non ci sarà nessun sito di stoccaggio del trizio, ci sarà eventualmente del deuterio e dell elio che è un gas nobile che non ci dà nessun fastidio. Problemi ancora aperti dalla fusione Abbiamo problemi di fisica per quanto riguarda la stabilità magneto-elettrodinamica ed elettrostatica del plasma. Instabilità che tendono a perturbare il confinamento che vogliamo ottenere per raggiungere le condizioni reattoriali. Ci sono problemi per quanto riguarda le interazioni plasma parete perché il confinamento non è perfetto e se andrà a toccare le pareti, bisogna capire come le pareti vengono erose e come il plasma viene inquinato dai materiali di prima parete. 18 Ehi signore, c è un buco... Dobbiamo comprendere tutto quello che riguarda il funzionamento continuo di un plasma, perché tutti gli esperimenti da oggi sono impulsati, durano dal ½ secondo ai secondi. Gli esperimenti più lunghi possono durare anche un ora. Ma evidentemente Durata 50 secondi, esperimento riuscito! un reattore che produce energia non può funzionare per un ora e poi spegnersi. Bisogna andarsi a studiare tutti quelli che sono i problemi correlati al funzionamento continuo di un plasma. Non esistono ad oggi, se non in rari casi, esperimenti che hanno studiato un plasma che produce effettivamente reazioni da fusione. Si studiano plasmi fatti di deuterio, che hanno una sezione d urto molto bassa, ma i plasmi D - T sono stati studiati in una casistica molto, molto limitata per vari motivi, uno fra tutti: il trizio è radioattivo e quindi andare ad attivare un macchina sperimentale complica tutta la parte di manutenzione, per metter le mani su macchine radioattive, devo andarci con tutte le protezioni limitando l accessibilità, limitando anche l efficienza dell intervento. Ci sono un sacco di problemi di ingegneria date le correnti in gioco sugli elettromagneti; necessariamente in una centrale a fusione gli elettromagneti dovranno essere super conduttivi. Tutte la parti di riscaldamento del plasma: ad onde elettromagnetiche o ad iniezione di fasci di particelle veloci, vanno sotto il nome di potenza ausiliaria e costituiscono un capitolo aperto che va studiato e richiede ancora del lavoro. Ed ancora ci sono tutti i problemi di manutenzione remota legati anche alla attivazione dei materiali sia per il trizio che per il flusso neutronico. La manutenzione di un reattore non sarà fatta evidentemente da operatori umani, ma da droni e robot telecomandati che dovranno entrare nella macchina per fare manutenzione. Poi c è tutto il capitolo della scienza dei materiali. Materiali di prima parete per limitare l inquinamento del plasma; materiali strutturali capaci di sopportare il flusso neutronico estremamente elevato con neutroni di potenza elevata, non c è soltanto il numero di neutroni ma anche l energia con la quale vanno a incidere sulle strutture e quindi sui materiali capaci di sopportare questo flusso elettronico. Poi tutti i materiali di interfaccia fra plasma e la parete che dovranno esser in grado di sopportare flussi di potenza dell ordine dei MW per metroquadro, potenze specifiche estremamente elevate. Non esistono materiali ad oggi in grado di sopportare questi flussi se non raffreddati attivamente. Qual è la strategia europea per avere entro il 2050 energia in rete anche se vi saranno probabilmente degli slittamenti? Di questo ne tratteremo sul prossimo numero di Nost Munfrà.