di Gianluca Alimonti e Massimiliano Romè
Un importante traguardo nell’ambito della fusione nucleare è stato raggiunto dai ricercatori dell’impianto Jet (Joint European Torus): sono stati prodotti 59 MJ di energia, mantenendo una potenza di quasi 12 MW per circa 5 secondi. Cosa significa questo risultato e come si inserisce nel programma che ha come scopo la produzione di energia nucleare da fusione per utilizzo civile?
La fusione alimenta il Sole e le stelle: gli atomi di Idrogeno si fondono insieme per formare Elio e la materia in eccesso viene convertita in energia che, a parità di massa dei prodotti reagenti, vale circa 107 volte l’energia liberata in una reazione chimica. L’Idrogeno, riscaldato a temperature molto elevate, passa dallo stato di gas a quello di plasma in cui gli elettroni sono separati dai nuclei atomici (ioni) caricati positivamente. Normalmente la fusione non è possibile perché le forze elettrostatiche fortemente repulsive tra i nuclei caricati positivamente impediscono loro di avvicinarsi abbastanza da consentire la fusione.
Tuttavia, se le condizioni sono tali che i nuclei possono vincere le forze elettrostatiche e trovarsi in un raggio molto ravvicinato l’uno dall’altro, allora la forza nucleare “forte” di attrazione (che lega insieme protoni e neutroni nei nuclei atomici) tra i nuclei supererà la forza repulsiva (elettrostatica), consentendo ai nuclei di fondersi insieme. Tali condizioni possono verificarsi quando la temperatura aumenta, facendo sì che gli ioni si muovano più velocemente e alla fine raggiungano velocità sufficientemente elevate da portare gli ioni abbastanza vicini tra loro quando si scontrano. I nuclei possono quindi fondersi, provocando il rilascio di energia voluto.
Per replicare la fusione controllata sulla Terra, quella “non controllata” è stata realizzata nel 1952 con la prima bomba H, invece dell’Idrogeno si utilizzano Deuterio e Trizio (isotopi dell’Idrogeno: i neutroni presenti nel nucleo aumentano la forza di attrazione ma non quella repulsiva) e si lavora a temperature prossime ai 100 milioni di gradi, circa 10 volte più alte di quelle all’interno del Sole. Si comprende quindi la grande sfida richiesta nel tenere un plasma a milioni di gradi a pochi metri di distanza da materiali che fondono a poche migliaia di gradi. Ciò viene realizzato in macchine toroidali a forma di “ciambella” detti tokamak tramite l’utilizzo di complessi e potenti campi magnetici che isolano e “mantengono in sospensione” il plasma durante la fusione.
JET è il tokamak operativo più grande e potente al mondo e diversi record sono stati stabiliti con questa macchina: nel 1997 furono prodotti 22 MJ da reazioni di fusione, con 16 MW di potenza di picco di fusione (ma mantenuti per un intervallo di tempo limitato di 0.15 secondi) e record del parametro Q=0.67, ove Q è il rapporto tra la potenza in uscita dal plasma ottenuta dalle reazioni di fusione e la potenza in ingresso nel plasma utilizzata per il suo riscaldamento. Il parametro Q rappresenta un’importante figura di merito del progresso delle ricerche sulla fusione, soprattutto nella prospettiva in cui si vuole avere un bilancio energetico finale positivo. Tuttavia, esso non tiene conto delle perdite nella conversione del calore prodotto in elettricità, né considera l’energia necessaria per il funzionamento di tutti i sistemi utilizzati nel dispositivo sperimentale. Per ottenere un vero pareggio, un dispositivo a fusione dovrebbe raggiungere un Q di almeno 10.
Si potrebbe obiettare che i 59 MJ del recente esperimento, poco più dell’energia di 1 Kg di benzina, ottenuti oltretutto con un Q=0,35, ben inferiore al valore raggiunto nel 1997, non sono poi un così grande risultato. Il dato importante è che tali valori sono stati mantenuti per 5 secondi, durata maggiore dei tempi scala dei processi che avvengono all’interno del plasma: il recente risultato dimostra che JET è stato in grado di ottenere un plasma parzialmente autosostenuto che rilascia una quantità̀ significativa di energia di fusione con un funzionamento prolungato dell’apparato, un risultato che fornisce grande fiducia nell’ottenimento degli obiettivi previsti dai futuri dispositivi di fusione.
Risultato tanto significativo che il Direttore Generale di ITER (collaborazione internazionale per la costruzione del nuovo e più grande tokamak) Bernard Bigot ha dichiarato: “Un continuo impulso di fusione Deuterio-Trizio a questo livello di potenza, quasi su scala industriale, fornisce una clamorosa conferma a tutti coloro che sono coinvolti nella ricerca globale della fusione. Per il progetto ITER, i risultati di JET forniscono una forte fiducia nel fatto che siamo sulla strada giusta mentre avanziamo verso la dimostrazione della piena potenza di fusione”.
L’accensione del primo plasma in ITER è prevista attualmente per Dicembre 2025 e l’obbiettivo è di raggiungere per il 2035 una potenza di almeno 500 MW e di mantenerla per 300 secondi con un Q valore superiore a 10. In prospettiva si punta alla centrale elettrica dimostrativa europea EU DEMO, il cui obiettivo sarà̀ invece di raggiungere un Q>50, con potenza elettrica netta in uscita di 500 MW. L’accordo europeo per lo sviluppo della fusione ha delineato lo scopo di portare l’elettricità da fusione nella rete entro il 2050.
Indubbiamente ogni nuovo risultato raggiunto con gran fatica dalla ricerca, specialmente in settori così complessi come la fusione nucleare, merita la massima diffusione e lo sforzo che lo ha prodotto il massimo sostegno, ma la sensazione è che a questo nuovo risultato sia stata data una particolare attenzione dai media generalisti, forse complice la grave crisi energetico-economica che stiamo attraversando.
Gentili signori Alimonti e Romè,
vorrei discutere con Voi di quanto il paragone con il plasma stellare sia corretto. Le stelle brillano per reazioni di fusione, ma si tratta di un’interazione debole, qualcosa di differente dal meccanismo di queste macchine mangiasoldi.
Ammetto di non aver competenza in materia.
Grazie e buona giornata.
La fusione e’ sempre originata dalla forza forte, rallentata nelle stelle dalla interazione debole.
https://scienzapertutti.infn.it/index.php?option=com_content&view=article&id=1491%3A0279-come-avviene-la-fusione-nucleare&Itemid=216&tmpl=component
Mi accorgo ora di un refuso nello scritto: l’energia liberata dalla fusione non “vale circa 107 volte l’energia liberata in una reazione chimica” ma 10**7, 10 milioni di volte.
La ringrazio per il chiarimento.
Una buona giornata.
Mi sembra di notare un certo scetticismo se non addirittura ironia nei confronti di questa linea di ricerca. Nessuno dice che sarà la soluzione energetica del futuro ne’ tanto meno che si riuscirà a realizzare un reattore a fusione per la produzione di energia sulla Terra: è una ricerca di estrema complessità e come tutte le ricerche scientifiche che si rispettino, il risultato non è mai garantito.
Inviterei però a considerare l’impresa anche dal punto di vista costo/beneficio non solo “energetico”. Il budget di ITER è di circa 20 miliardi di Euro in circa 20 anni: un miliardo all’anno diviso tra tutti i maggiori Paesi del mondo. Questo investimento ha ricadute in realizzazioni industriali di alto livello per tutti i Paesi partecipanti, in scoperte tecnologiche con potenziali impatti positivi su tutti noi (ricordo solo www inventata al CERN), in alta formazione scientifica per una generazione di giovani (anche se poi magari i nostri daranno i propri frutti all’estero…ma questo è un altro discorso) ed in ricerca di base che non si sa quali frutti possa portare.
Anche nell’ipotesi in cui non si riuscisse a realizzare un reattore a fusione…vi sembra poco?…..e vi sembrano soldi spesi male?
L’ultima frase suona come quella dei fautori del CC, “…alla fine avremo un mondo migliore anche se il CC non è reale”
Chiaramente si può spendere anche peggio, però se errare è umano, perseverare è diabolico. Quello che appare è che si cerca di truccare i numeri (la scienza) per mostrare una situazione meno deprimente, e lo si sta facendo da troppo tempo, ignorando gli avvertimenti convinti di essere protetti dai soliti media MS, dallla finanza e dalla politica. Nel frattempo stiamo smantellando le centrali (sotto la spinta della demonizzazione del fossile e del nucleare) e facciamo conto sulle fonti inaffidabili. Gli “scienziati” si rendono conto che per garantirsi lo stipendio stanno scavando la fossa dove probabilmente finiranno in anche loro?
Ho visto che il link al video di S.Hossenfelder è sparito, lo rimetto qui. sperando che non venga rimosso dal sistema.
Ok, lo rimuove il sistema. Proviamo così, basta aggiungere “www.y” davanti
outube.com/watch?v=LJ4W1g-6JiY
Certamente non sono soldi spesi peggio del peggio perchè può portare a scoperte collaterali. E’ peggio spender soldi in mezzi che, oltre a farsi beffe del loro carico di inquinamento, seminano morte e distruzione, anche se in qualità di deterrenti psicologici sono efficaci.
Ma la mia sensazione riguardo la (impossi)fusion è equivalente a quella di quando leggo di qualche marchio peracottaro dichiarare la potenza di uscita di un generico amplificatore audio espressa in W p.m.p.o. in luogo dei W rms:
r.m.s.= “root main square”, è il “valore efficace”, diciamo in è soldoni la vera “ciccia”.
p.m.p.o.= “peak momentary power output”. Non essendoci un criterio ben definito (c’è chi la identifica come la potenza riferita all’ampiezza picco picco del segnale, chi la misura pure in regime saturato), si può definire anche come “potenza molto poco onesta”
Buongiorno,
ritengo che alimentare un progetto che non raggiungerà lo scopo non porterà ad alcuna ricaduta. Potrei citare altre tecnologie del futuro sviluppate a partire da un passato lontano che talvolta hanno portato ad un prodotto industriale che si è rivelato inferiore alle attese o magari nato già superato. Spesso chi coinvolto nello sviluppo afferma tranquillamente che la tecnologia futuribile di turno non avrà successo o che sarebbe meglio rimetterla nel cassetto attendendo che la ricerca di base fornisca una soluzione ai limiti emersi, ma nel frattempo permette di trovare fondi, pagare dottorandi, non far chiudere centri R&S, tanto il prodotto finale non si scontrerà sul mercato e nel caso arrivasse al mercato occuperebbe una nicchia tanto piccola da non risultare in concorrenza con altre tecnologie. A tal punto la tecnologia futuribile potrebbe essere riadattata per altri scopi futuribili, iniziando un nuovo giro di finanziamenti.
Sabine Hossenfelder affronta il problema in questo breve video.
Se è vero quanto sostiene non ci sono molte speranze di veder funzionare queste strabilianti macchine per produrre energia, ma, ovviamente, si vuol far credere il contrario.
Ce la faremo senz’altro… il 90% della tecnologia e dei dispositivi necessari per un funzionamento industriale devono ancora essere sviluppati, ma raggiungeremo anche questo traguardo.
Buongiorno,
Dovremmo cercare il carburante (chiamiamolo così). Il migliore è l’isotopo dell’elio 3He che purtroppo sulla Terra scarseggia. Lo estrarremo sulla Luna?
Una buona giornata
è imbarazzante sapere che c’è chi lotta per il risparmio energetico e che gli stessi utlizzano l’energia per memorizzare su server energivori le loro lamentele sul dispendio energetico.
Un giorno gli idrocarburi diventeranno molto cari e per continuare a minare bitcoin bisognerà pur trovare una alternativa.
L’energia prodotta dalla fusione servirà a sostenere un mondo virtuale, metauniversi,avatar di noi stessi in ambienti digitali?
Potremmo risparmiare moltissima energia senza i milioni di followers del video sul risparmio energetico.
La fusione produce energia elettrica, ossia la materia prima dei bit.
Forse che tutte queste ingenti risorse per piccoli Soli terrestri non servono per la vita umana, ma per la vita virtuale di esseri digitali?
Gentile sig. Rocco,
penso di no. I mostri digitali s’alimentano a carbone. Purtroppo.
In effetti, ricordo che quando nei primi anni 80 leggevo le riviste di scienza si parlava di una prospettiva a 20-30 anni per la fusione a livello “industriale”.
A questo punto penso che si siano decisamente sottovalutati i problemi pratici connessi, dando un orizzonte temporale completamente errato.
Certo, energia da fusione è, secondo me, la strada maestra da seguire, su cui concentrare tutte le risorse disponibili :)-
Mah… Non saaprei… Ormai sono parecchi decenni che ci si trastulla con la fusione… La soluzione è sempre trent’anni più in là… Adesso il traguardo è un “demo” fra trent’anni, avendo prodotto un “ruttino” di energia per ben cinque secondi.
Nel frattempo, con le cifre investite su questo solo progetto, si sarebbero potute costruire centrali convenzionali sufficienti a alimentare tutta europa.
E ancora non si parla di come sopravviveranno questi tokamak alle intense radiazioni di neutroni del plasma.
Che sia un po’ come per l’IPCC, che insiste col cambiamento climatico antropico per evitare la soppressione (e la relativa esigenza di doversi cercare un nuovo lavoro?)
Gentile sig. Griggio,
analisi perfetta. Non si costruisce un piccolo Sole, ma un buco nero aspirafondi.
Cordialmente