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Fonte: fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione in cui due atomi leggeri si fondono per formare un atomo più pesante; questa reazione sviluppa molta energia. Gli atomi che si utilizzano sono due isotopi dell'idrogeno (deuterio e trizio) e l'atomo pesante che si ottiene è l'elio. La temperatura alla quale queste reazioni avvengono è dell'ordine dei 100 milioni di gradi. E' la stessa reazione che avviene nel Sole.


Storia / scoperta

Nel 1952 fu realizzata la prima bomba nucleare a fusione (la bomba H).

Mentre per le bombe nucleari a uranio c'è un limite di potenza (400 kilotoni) oltre il quale non si può andare, per le bombe H tale limite virtualmente non esiste e quindi si possono realizzare anche di potenza enorme.

La più potente bomba H realizzata e fatta esplodere è la bomba Zar della potenza di 50 Megatoni (ben 4500 volte più potente della bomba nucleare esplosa a Hiroshima) costruita in Russia e fatta esplodere in un test sempre in Russia.


Abbondanza

L'idrogeno è l'elemento più abbondante nell'Universo.

Il deuterio (isotopo dell'idrogeno) è estraibile dall'acqua di mare, anche se è un processo molto costoso che finora è stato utilizzato solo per estrarre piccole quantità (grammi).

Il trizio invece deve essere prodotto per bombardamento neutronico del Litio. Il Trizio essendo radioattivo e avendo una vita di dimezzamento (emivita) breve, non può essere immagazzinato, ma deve essere prodotto tramite i neutroni provenienti dallo stesso reattore a fusione.

Quindi, anche se le fonti sono presenti in abbondanza, la loro estrazione e preparazione è un processo molto complesso e costoso.

Costi

Poiché non si è ancora riusciti a realizzare una centrale nucleare a fusione, i costi di un eventuale progetto non sono noti, ma dovrebbero essere, se paragonati a una centrale termoelettrica tradizionale, superiori per quanto riguarda la costruzione, ma inferiori per quanto riguarda il combustibile usato.


Impianti: centrale nucleare

Le tecnologie sperimentali oggi utilizzate usano i seguenti criteri:

  1. Confinamento inerziale;
  2. Fusione nucleare boro-protone a confinamento laser;
  3. Confinamento magnetico;

Sfortunatamente, nonostante le ricerche, la tecnologia non è ancora pronta.
Diversi prototipi sono in fase di realizzazione, tra cui il progetto ITER (confinamento magnetico) che è un impianto che dovrebbe solo dimostrare la fattibilità del progetto. Successivamente il progetto DEMO dovrebbe essere una centrale vera e propria che però non dovrebbe entrare in funzione prima del 2050.

Il progetto ITER si basa su un toroide (tubo circolare a forma di ciambella) in cui viene iniettato il gas reagente (deuterio e trizio) che viene portato a una temperatura di 100 milioni di gradi e viene confinato all'interno (onde evitare che fonda le pareti metalliche) da un potentissimo campo magnetico. Tale reazione però è risultato molto più instabile del previsto e il reattore non si riesce a tenere in funzione per più di qualche minuto.


Pro

  • Limitata produzione di scorie (anche se le pareti del reattore potrebbero diventare radioattive);
  • Non viene liberato nessun gas nell'atmosfera (nessun effetto serra o inquinamento);
  • l'energia prodotta è notevole (però le centrali verranno costruite di potenza di 1000 MW come quelle a combustibile fossile);

Contro

  • Per adesso si conoscono solo applicazioni militari e non civili.
  • L'efficienza della centrale non è garantita (non si ha certezza che produrrà energia in eccesso rispetto a quella consumata);
  • Il gas deve essere riscaldato a temperature elevatissime (100 milioni di gradi) e quindi ci sono problemi sia per contenerlo (con campi magnetici intensi) che per scaldarlo (con onde elettromagnetiche);
  • Sono necessari almeno 250 g al giorno di trizio necessario al reattore il quale dovrebbe utilizzare i neutroni del reattore a fusione; ancora non si sa bene come farlo produrre;
  • Il costo della centrale da 1000 MW è elevato e il mondo, per soddisfare il proprio fabbisogno energetico, richiederebbe migliaia di queste centrali;
  • il tempo: la prima centrale sarà prodotta nel 2050 (salvo slittamenti per motivi tecnologici) e sarà di 1000 MW; dovrà funzionare per almeno qualche anno prima che venga l'impianto ottimizzato; poi, se tutto va bene, ne dovrebbero essere prodotte altre migliaia di centrali, quindi i tempi si allungano di molto e c'è il rischio (certezza) che per quel periodo la crisi petrolifera sia già stata raggiunta da un pezzo.

Criterio di Lawson

Per capire se da un reattore a fusione nucleare si produrrà più energia di quanta se ne consuma, c'è bisogno di soddisfare il "Criterio di Lawson" che indica il valore di densità degli atomi necessario per produrre tale energia.

Esso è stato applicato a un plasma di Deuterio e Trizio e ne calcola le condizioni perché produca una quantità apprezzabile di energia da fusione nucleare.

Con una pressione di 5x1020 particelle/mc si vede (dal grafico) che per temperature inferiori a 4 keV (circa 50 M °C), la potenza persa per radiazione supera la potenza da fusione e quindi il reattore non è energeticamente conveniente.

I parametri su cui si può agire sono 3, e sono i seguenti:

  • (T) Temperatura,
  • (d) densità
  • (t) tempi di confinamento.

Una reazione di fusione nucleare diventa conveniente quando le particelle hanno: una elevata densità, un'alta temperatura e un tempo di confinamento adeguato, cioé:

Il prodotto triplo = T x d x t > 1.2 x 1021  keV x s / m3

Questo valore è indipendente dal metodo che utilizza la centrale nucleare per ottenere la fusione.

Ottenere tutti e 3 i valori adeguati contemporaneamente è difficile.


Criterio di Ignizione

In realtà tale criterio si è rivelato vero solo in parte. Una sua revisione mostra che:

  • la potenza nucleare viene pertanto suddivisa in potenza di neutroni (che abbandonano il plasma), e potenza ceduta alle particelle alfa, che rimangono dentro il plasma;
  • se un reattore a fusione si basa sul principio del confinamento magnetico, c'è una divisione naturale fra i prodotti di fusione: le particelle alfa, essendo cariche, sono confinate, mentre i neutroni non vengono trattenuti dal campo magnetico, e vengono persi;
  • in condizioni ideali, la reazione si autosostiene, non è in pratica più necessario alimentarla dall'esterno, e P{in}=0.
  • Il nuovo prodotto triplo diventa uguale a: 3 x 10 21  keV x s / m3

Nella pratica, per un reattore questo significa avere:

  • T = 20 keV,
  • d = 1.5 × 1020  / m3
  • t  = 1 s

Questi sono i valori di riferimento per il reattore ITER.

Deuterio: 1 mole di gas = 6 x 1023 particelle = 2 g (peso) = 11.2 litri (volume) alla pressione di una atmosfera (1 bar).

Deuterio 1 bar: in un m3 ci saranno: 1000 / 11.2 = 89 moli = 5.5 x 1025 particelle

Pressione di reazione: P = d(bar) / d(reaz) = 5.5 x 1025 / 1.5 × 1020 = 360.000 volte meno denso dell'atmosfera

Condizione di Break-even

Sia Q = Eout / Ein;

(Q) Fattore di guadagno = (Eout) Energia prodotta / Energia inserita tramite riscaldamento.

Break-even: Q = 1

Visto che l'energia prodotta deve essere convertita in energia elettrica (rendimento conversione = 33%), per essere conveniente la reazione, deve essere almeno: Q > 3.