By Reattori Tokamak: Il futuro dell’energia nucleare
Negli ultimi anni si sono fatti degli enormi passi in avanti nella ricerca di fonti di energia sostenibili e rinnovabili. L’energia nucleare è un grande alleato nella lotta contro l’inquinamento e il consumo di risorse fossili. Nonostante ciò il metodo con cui viene attualmente prodotta, la fissione, è vittima di tanti pregiudizi e in certi casi vere e proprie falsità.
L’energia della fissione è a tutti gli effetti considerabile energia rinnovabile e in questi anni di transizione ecologica sarà uno strumento fondamentale. È tuttavia innegabile che presenti diverse problematiche per quanto riguarda la produzione di scorie e sicurezza. Negli ultimi anni si sta sviluppando il metodo della fusione che riuscirebbe a superare le problematiche del suo antecessore, dando vita ad una nuova era dell’energia pulita. Lo strumento più promettente per il futuro dell’energia nucleare sembrerebbe essere il reattore Tokamak, in studio all’interno di ITER, un progetto nativo europeo ed esteso in seguito a tutto il mondo, che si pone l’ambizioso obbiettivo di trovare il modo di studiare, sfruttare ed ottimizzare la complessa reazione di fusione nucleare per produrre energia elettrica.
Reazioni di Fissione e Fusione
Prima di vedere il funzionamento vero e proprio del reattore Tokamak, è importante capire cosa si intende per fissione e fusione, in modo da poter comprendere le differenze, i vantaggi e le difficoltà che si nascondono dietro queste reazioni nucleari.
Fissione nucleare
Gli atomi degli elementi chimici sono formati da nuclei con all’interno protoni e neutroni, con aggiunta di elettroni di carica negativa che orbitano attorno al nucleo. Protoni e neutroni sono tenuti insieme da una forza denominata interazione nucleare forte. Poiché la massa degli elettroni è trascurabile, dal numero di neutroni e protoni dipende il peso complessivo dell’atomo che si indica come somma del numero di questi ultimi (ad esempio Carbonio 12). Bombardando con un fascio di neutroni ad alta energia un nucleo atomico è possibile alterare il suo equilibrio e “spezzare” la forza nucleare che lo tiene compatto; in questo modo è possibile dare origine ad un processo detto fissione. Attualmente l’atomo più utilizzato è l’isotopo Uranio235 . Bombardando questo nucleo con dei neutroni (n) l’atomo si spacca in 2 frammenti di atomi più piccoli che rilasciano a loro volta neutroni liberi dando vita ad una reazione a catena. Questo processo è tristemente noto a causa del suo utilizzo per le prime bombe atomiche.
Crediti: Francesco Prodi
La somma della massa degli atomi formati e dei neutroni liberati risulta inferiore alla massa dell’atomo di partenza. Poiché la reazione deve rispettare il principio di conservazione della massa, la massa mancante dovrà presentarsi in qualche altra forma. Questa forma è appunto Energia. Fu proprio Einstein ad intuire che l’energia fosse solo un altro aspetto della massa ed espresse con la sua celebre equazione E=Mc² la relazione che lega i due fenomeni. Possiamo usare questa equazione per calcolare l’energia prodotta dalla reazione sopra raffigurata:
E=(MU235+n)c² – (Mprodotti)c².
Poiché (c) la velocità della luce (300000km/s) è un numero molto grande, da una piccolissima quantità di massa trasformata è possibile produrre un enorme quantitativo di energia. La fissione di un singolo atomo di Uranio235 genera infatti 211 MeV di energia.
Qualora si volessero approfondire le problematiche legate alla fissione nucleare si consulti questo articolo.
Fusione nucleare
La fusione nucleare è la reazione che avviene all’interno delle stelle e che rende possibile l’emissione costante di luce ed ha permesso la formazione di tutti gli elementi chimici che conosciamo. La reazione consiste nel fondere insieme nuclei di atomi più leggeri per dar vita a nuclei di atomi più pesanti. La massa dell’atomo così formato risulta comunque inferiore alla somma di quelli di partenza; dunque, come nel caso della fissione, una parte della massa viene trasformata in energia!
Crediti: Francesco Prodi
Pur essendo una reazione esotermica (rilascia energia) richiede un’elevatissima energia di attivazione. Il motivo di questa difficoltà di innesco è dovuto al fatto che i nuclei sono dotati di carica positiva. Ciò rende necessaria un’elevatissima energia cinetica per vincere la forza di repulsione elettrostatica tra i due nuclei e portarli dunque a fusione. La reazione che richieda la più bassa energia di attivazione è quella in cui un nucleo di trizio ed uno di deuterio (isotopi dell’idrogeno con rispettivamente 2 e 1 neutrone) si fondono insieme per formare un nucleo di elio ed un neutrone. Questa è dunque la reazione che si sta studiando e si cerca di riprodurre al giorno d’oggi all’interno dei reattori nucleari sperimentali.
Reattori Tokamak
Problematiche della fusione
È indubbio che cercare di riprodurre un fenomeno che avviene all’interno di corpi celesti sia una sfida infinitamente complessa da ogni punto di vista e sono innumerevoli le sfide ingegneristiche che ogni giorno i ricercatori affrontano. Tuttavia, uno dei grandi problemi che rallentano lo sviluppo di questa tecnologia è bensì di tipo logistico. Infatti il trizio è al momento una della sostanze più rare e costose al mondo. Data la sua scarsissima reperibilità in natura costringe gli scienziati a doverlo produrre in laboratorio con non poco dispendio di tempo e denaro. Tuttavia, data per scontata la disponibilità del trizio, la sfida più grande per ottenere la fusione rimane mantenere un plasma trizio-deuterio (insieme dei nuclei atomici carichi positivamente) a temperature elevate fino a 100 milioni di gradi Celsius, 6 volte la temperatura del sole. Questo plasma dovrà inoltre essere confinato in uno spazio limitato per un tempo sufficiente a produrre più energia di quella che si è spesa per arrivare in quelle condizioni di funzionamento. Al momento i reattori Tokamak, cercano di superare questo problema tramite il confinamento magnetico del plasma.
Bottiglia magnetica
Il confinamento magnetico utilizzato nel Tokamak, sfrutta il fenomeno della “Bottiglia magnetica“. Questo particolare tipo di campo magnetico ha la caratteristica di intrappolare al suo interno le particelle cariche in un moto elicoidale perpetuo.
https://docplayer.it/46772686-Fenomeni-magnetici-naturali.html
Dalla figura è possibile notare che le linee di forza del campo magnetico (B) si addensano agli estremi dove B è più intenso. Il campo magnetico inoltre cambia direzione lungo la linea di flusso in verde. Di conseguenza la forza di Lorentz (Fb) essendo perpendicolare e proporzionale a B, può costringere la particella a frenare e tornare indietro quando la particella si avvicina agli estremi del campo. Una volta raggiunto il limite dove B è massimo la forza porterà la particella a ripercorrere lo stesso moto elicoidale fino all’altro estremo dove avverrà lo stesso tipo di moto in maniera speculare.
Configurazione del Tokamak
All’interno del Tokamak il plasma è racchiuso all’interno di una camera a vuoto di forma toroidale (ciambella) e confinato al suo interno sfruttando il fenomeno della bottiglia magnetica generata da un solenoide perpendicolare alla camera stessa e da dei magneti. Questo tipo di campo impedisce il contatto del plasma con le pareti della camera e ne consente il confinamento.
https://www.eni.com/it-IT/attivita/fusione-confinamento-magnetico.html
Grazie a questo tipo di tecnologia, il Tokamak è abbastanza stabile e permette tempi di confinamento sufficientemente lunghi.
Plasma Heating
Dopo aver compreso il metodo con cui viene confinato il plasma, vediamo adesso come viene portato a temperature così elevate. Il plasma, poiché composto da particelle cariche, è un conduttore elettrico, dunque è facilmente scaldabile facendovi scorrere all’interno una corrente indotta dall’esterno. Il plasma all’interno della ciambella opporrà una certa resistenza al passaggio di corrente che ne comporterà il riscaldamento per effetto Joule; questo processo, denominato riscaldamento ohmico, ovvero il riscaldamento tramite resistenza, è del tutto analogo al processo che avviene all’interno dei nostri forni elettrici o a delle lampadine. Tuttavia il solo riscaldamento ohmico non è sufficiente a raggiungere le temperature desiderate. Infatti la resistività (ρ) del plasma decresce all’aumentare della temperatura e dunque la funzione di riscaldamento avrà un limite per ρ che tende a 0. Per far fronte a questo problema si utilizzano 3 metodi supplementari di riscaldamento:
- Assorbimento di onde elettromagnetiche nel plasma per trasferire energia.
- Iniezione di atomi neutri ad elevata energia.
- Tramite compressione adiabatica del plasma.
https://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/nucleare/fusione-nucleare
Tramite l’utilizzo combinato delle metodologie sopra elencate, si riescono a raggiungere le temperature richiesta per dar vita alla fusione!
Progetto ITER
Il progetto ITER è un progetto che vede una collaborazione internazionale di Europa, Stati Uniti, Russia , Cina, india e Corea. Il suo obiettivo è realizzare un reattore a fusione nucleare sperimentale in grado di produrre più potenza di quella utilizzata per mettere in funzione lo stesso.
Tempi di realizzazione
Nonostante l’incredibile sforzo a livello globale, il progetto ha fissato la realistica data di dicembre 2025 come data di ignizione del primo plasma, mentre gli esperimenti col trizio-deuterio veri e propri avranno inizio soltanto a partire dal 2035.
Nucleare contro il cambiamento climatico
A costo di spegnere l’entusiasmo del lettore arrivato fino a questo punto, risulta evidente che, dati i lunghi tempi di realizzazione, la fusione nucleare non potrà essere un alleato contro il cambiamento climatico mentre invece la fissione può esserlo e lo è tuttora. A causa degli incidenti di Chernobyl e Fukushima, si è diffuso nell’opinione comune che il nucleare sia una fonte non rinnovabile e da considerare pericolosa e non necessaria, ma è davvero così?
Come primo punto bisogna considerare che non esiste una fonte di energia rinnovabile al 100%, infatti qualsiasi strumento nel suo ciclo di vita, che sia per il suo smaltimento, per la sua creazione o per il suo funzionamento, si porterà dietro una certa impronta ambientale, il nucleare da questo punto di vista è una delle fonti meno inquinanti in assoluto in rapporto all’energia che è in grado di produrre. Le scorie radioattive sono indubbiamente un problema da superare (per quanto il loro impatto ambientale risulti quasi nullo rispetto a quello del carbone) ed infatti nuove soluzioni, come ad esempio i reattori di quarta generazione, vengono ogni giorno proposte per minimizzare l’impatto di questa tecnologia. Per quanto riguarda il fattore sicurezza: i dati ci dicono che gli incidenti sopra citati, per quanto gravi, rappresentano degli episodi rari e isolati nella vita dell’energia nucleare fin ora, che si è dimostrato essere estremamente sicuro. Per concludere: è ormai certo che le fonti rinnovabili classiche (eolico, solare ecc..) da sole non riescano a soddisfare completamente la domanda globale di energia, perlomeno non con lo sviluppo attuale della loro tecnologia. Dunque il nucleare è una risorsa indispensabile che abbiamo il dovere di sfruttare e perfezionare, andando oltre i pregiudizi di cui è vittima.
A fine articolo si lasciano al lettore alcuni grafici con dei dati sull’utilizzo dell’energia nucleare in modo che possa farsi una sua opinione sull’argomento, invitandolo ad approfondire ulteriormente qualora interessato.
Fonti:
