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Sicurezza energetica e rispetto ambientale

di Francesco Michele Dicearco Manti

Sicurezza energetica e rispetto ambientale: intorno a questa dualità, che ai molti apparirebbe addirittura un’antitesi, orbitano i problemi non solo dei singoli Stati ma della comunità internazionale in generale. L’indipendenza energetica, per quanto mai attuabile al 100%, dà valore politico e prestigio nell’arena internazionale, potendo rappresentare però allo stesso tempo una pericolosa spada di Damocle per chi possiede le risorse. Per questo si cerca sempre un bilanciamento che salvi i propri cittadini da eventuali roboanti scombussolamenti che possono portare a crisi interne. Al giorno d’oggi ancora alto è il livello di combustibili fossili utilizzato per la produzione energetica e nonostante gli investimenti nelle energie rinnovabili (cosiddette pulite/verdi) e le stipulazioni di trattati e politiche per la salvaguardia dell’ambiente, gli Stati sono restii ad abbondare l’utilizzazione di tali risorse, vuoi perché le energie pulite non bastano ancora per una produzione su scala nazionale, vuoi per fattori strategici.

Così molti movimenti hanno posto la loro egida per la riduzione dell’impatto antropico sull’ecosistema terrestre. Purtroppo, la pretesa che l’uomo possa ridurre a zero il suo impatto ecologico è vana, tantoché ha preso sempre più potere il termine Antropocene che se prima veniva usato per identificare genericamente l’impatto umano sulla natura, oggi è stato persino proposto come propria epoca geologica. Questo non vuol dire tuttavia che non sia possibile trovare modi effettivi di ridurre l’impatto umano.

Per questi motivi i reattori a fusione nucleare stanno recentemente salendo alla ribalta, poiché danno particolari garanzie aprendo ad un futuro più ottimistico, ma partiamo con ordine.

Un gruppo di ricerca congiunta formato dai centri ricerca ed università proveniente dall’Unione Europea, Giappone, Federazione Russa, Stati Uniti, Cina, Corea del Sud ed India, ha proposto di costruire un reattore a fusione chiamato International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) a Cadarache, in Francia, per dimostrare la fattibilità dell’uso di reazioni di fusione sostenute per produrre elettricità.

Gli attuali reattori nucleari utilizzano la fissione nucleare per generare energia, ottenendo energia attraverso la divisione di un atomo in due atomi. In un reattore nucleare convenzionale, i neutroni ad alta energia dividono gli atomi pesanti dell’Uranio, producendo grandi quantità di energia, radiazioni e scorie radioattive che durano per lunghi periodi di tempo. Questa è la tipica energia nucleare che entrata nel nostro immaginario collettivo.

Nella fusione nucleare invece, l’energia si ottiene nel momento in cui due atomi si uniscono per formarne uno. In un reattore a fusione, gli atomi di Idrogeno si uniscono per formare atomi di Elio, neutroni e grandi quantità di energia. È lo stesso tipo di reazione che alimenta le bombe all’Idrogeno ed il Sole. Rappresenterebbe una fonte di energia più pulita, più sicura, più efficiente e più abbondante della fissione nucleare.

Esistono diverse tipi di reazione, e la maggior parte coinvolge nuclei isotopici di Idrogeno (1H), il Deuterio (2H) ed il Trizio (3H). Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni ma un diverso numero di neutroni.

Come funzionano però nel dettaglio queste reazioni?

  1. Catena protone-protone: Questa sequenza è lo schema predominante di reazione alla fusione utilizzato da stelle come il Sole. Due coppie di protoni si formano per formare due atomi di deuterio. Ogni atomo di deuterio si combina con un protone per formare un atomo di Elio-3. Due atomi di Elio-3 si uniscono per formare il Berillio-6, il quale è instabile. Il Berillio-6 decade in due atomi di Elio-4. Queste reazioni producono particelle ad alta energia (protoni, elettroni, neutrini, positroni) e radiazioni (fotoni e raggi gamma).
  2. Reazioni di Deuterio-Deuterio: Due atomi di Deuterio si uniscono per formare un atomo di Elio-3 ed un neutrone.
  3. Reazioni di Deuterio-Trizio: Un atomo di Deuterio ed un atomo di Trizio si uniscono per formare un atomo di Elio-4 ed un neutrone, in questo caso la maggior parte dell’energia rilasciata è nella forma di neutrone ad alta energia.

 

 

 

Da un punto di vista teorico, non sarebbe difficile sfruttare la fusione nucleare in un reattore per produrre energia. Il problema risiede nel creare e controllare un macchinario atto a produrre energia tale da superare il suo semplice sostentamento senza guastarsi. Bisogna guardare alle condizioni necessarie per la fusione nucleare per capire meglio queste problematiche.

Quando gli atomi di idrogeno si fondono, i nuclei devono unirsi, tuttavia, i protoni di ciascun nucleo tenderanno a respingersi a vicenda perché hanno la stessa carica (positiva), funziona esattamente come quando da piccoli tentavamo di avvicinare due magneti dallo stesso polo. Per ottenere la fusione, è necessario creare condizioni speciali per superare questa tendenza:

  1. Alta temperatura: L’alta temperatura fornisce agli atomi di idrogeno energia sufficiente a superare la repulsione elettrica tra i protoni. La fusione richiede temperature intorno ai 100 milioni di Kelvin (circa sei volte più calde del nucleo solare). A queste temperature, l’Idrogeno è in stato di plasma, non di gas. Il plasma è uno stato di materia ad alta energia in cui tutti gli elettroni sono strappati dagli atomi e si muovono liberamente attraverso il processo della ionizzazione. Il nostro Sole raggiunge queste temperature grazie alla sua grande massa ed alla forza di gravità che comprime tale massa nel nucleo. Dal canto nostro, è necessario l’utilizzo di energia a microonde, laser e particelle di ioni per raggiungere queste temperature.
  2. Alta pressione: La pressione schiaccia insieme gli atomi di Idrogeno. Per potersi fondere, questi devono essere l’un l’altro entro un femtometro di distanza (1×10-15metri), ovvero circa la lunghezza del raggio del protone e del neutrone. Pure in questo in caso, è grazie alla enorme massa ed alla forza di gravità che la nostra stella riesce a comprimere i nuclei isotopici dell’Idrogeno; mentre qui sulla Terra per ‘unirli’ dobbiamo applicare intensi campi magnetici, potenti laser o fasci di ioni.

 

Con la tecnologia attuale possiamo solo raggiungere le temperature e le pressioni necessarie per rendere possibile la fusione del Deuterio-Trizio. La fusione Deuterio-Deuterio richiede temperature più elevate che potrebbero essere fattibili in futuro. Il progetto ITER utilizza uno dei due principali metodi di fusione, il confinamento magnetico, funzionante attraverso la generazione di forti campi magnetici ed elettrici per riscaldare e racchiudere il combustibile a fusione calda sotto forma di plasma, il quale dovrebbe essere generato per la prima volta entro Dicembre del 2025[1]. La forma più efficiente per confinare il plasma è quella toroidale, o più semplicemente a ciambella.

Questo tipo di reattore è chiamato tokamak. Quello di ITER vedrà gli edifici principali completati nel 2019[2], sarà un reattore autonomo le cui parti si trovano in vari cassettoni. Questi possono essere facilmente inseriti e rimossi senza dover abbattere l’intero reattore per la manutenzione. Il tokamak avrà una ‘ciambella per il plasma’ con raggio interno di 2 metri e un raggio esterno di 6,2 metri.

Le parti principali del reattore tokamak del progetto ITER sono:

  1. Pompe a vuoto: Contengono il plasma e come condizione iniziale viene creato un vuoto nella camera di reazione.
  2. Iniettore di neutri per fusione: Dispositivo che inietta i fasci di particelle dall’acceleratore al plasma per portare quest’ultimo a temperature critiche.
  3. Bobine magnetiche: Magneti superconduttori che confinano, modellano e contengono il plasma mediante campi magnetici.
  4. Trasformatori/Solenoide centrale: forniscono elettricità alle bobine di campo toroidale.
  5. Attrezzatura di raffreddamento (Criopompa): Raffreddano i magneti.
  6. Moduli del mantello (blanket): fatti in Litio, sono lo strato della struttura di contenimento che circonda la prima parete e il divertore, servono ad assorbire calore e neutroni ad alta energia durante la reazione di fusione.
  7. Divertori: consentono la rimozione del materiale di scarto dal plasma mentre il reattore è ancora in funzione, permettendo il controllo dell’accumulo di prodotti di fusione nel carburante e rimuovere così le impurità presente nel plasma penetrate dal primo rivestimento.

Per quanto riguarda invece la produzione effettiva di energia, il reattore a fusione riscalda un flusso di Deuteri e Trizio per formare del plasma ad alta temperatura e questo viene compresso in modo tale da far avviare la fusione. La potenza necessaria per avviare la reazione di fusione è di circa 70 megawatt, ma la potenza generata dalla reazione sarà di circa 500 megawatt. La reazione di fusione durerà da 300 a 500 secondi, i mantelli di Litio all’esterno della camera di reazione del plasma assorbono così dalla reazione di fusione i neutroni ad alta energia per produrre più combustibile al Trizio. I mantelli (blanket) vengono riscaldati dai neutroni ed il calore viene trasferito da un circuito di raffreddamento ad acqua a uno scambiatore di calore per produrre vapore. Il vapore guida infine le turbine elettriche per produrre elettricità e viene condensato nuovamente in acqua per assorbire più calore dal reattore nello scambiatore di calore.

 

L’applicazione principale per la fusione è nel produrre elettricità. Questo tipo di produzione energetica sarà capace di fornire numerosi vantaggi alle generazioni future, rispetto alla fissione nucleare:

  1. Abbondanza di carburante: L’Idrogeno e relativi isotopi, possono essere facilmente trovati. L’Idrogeno è l’elemento più abbondante dell’Universo, mentre estrarre il Deuterio è facilmente estraibile dai depositi di acqua pesante (D2O o HDO) che si trovano maggiormente nei fondali oceanici. L’eccesso di Trizio può essere recuperato nel reattore a fusione stesso dal litio, che è facilmente reperibile nella crosta terrestre. L’Uranio per la fissione è raro, deve essere estratto e quindi arricchito per un adeguato uso nei reattori.
  2. Sicura: Le quantità di carburante utilizzate per la fusione sono piccole rispetto ai reattori a fissione, questo fa sì che non si verificano rilasci di energia incontrollati. La maggior parte dei reattori a fusione produce meno radiazioni del fondo di radioattività naturale con il quale conviviamo nella nostra vita quotidiana.
  3. Pulita: Nessuna combustione si verifica nelle reazioni nucleari (sia fissione che fusione), quindi non c’è inquinamento atmosferico, ma a differenza della fissione i reattori a fusione non produrranno rifiuti nucleari di alto livello (il Trizio ha un’emivita di 12,32 anni contro i 800.000 dell’Uranio-235), quindi lo smaltimento sarà meno problematico. Il Deuterio, per esempio, non è radioattivo e le catene Deuterio-Deuterio producono più energia.

 

Potrebbe sembrare vicino il tempo per l’utilizzo di energia quasi illimitata da parte dei cittadini. In verità, gli obiettivi di ITER sono molto più modesti. Infatti, la principale causa alla quale è votata questo progetto è sì la produzione di energia superiore al suo consumo di sostentamento, ma questo solo per un tempo superiore ai pochi secondi, ovviamente con diverse ripetizioni dagli analoghi risultati. ITER non è progettato, né pertanto pensato, affinché le persone comuni o le industrie possano sfruttare l’energia da lui prodotta per alimentare le proprie dimore o macchine; questo immenso compito toccherà al progetto futuro chiamato DEMO, un progetto che erediterà lo spirito di ITER, molto più grande e costoso con strutture più complesse e resistenti per iniziare la produzione di Trizio già dall’impianto, ovvero dal mantello (blanket). Ci vorranno ancora decenni di ricerche nel settore, specialmente per rendere maggiormente efficienti i metodi di contenimento, ma lo sviluppo di reattori a fusione continua sembra davvero una bella ed interessante sfida da intraprendere in modo tale da migliorare la qualità di vita e la sicurezza delle generazioni future, con un occhio di riguardo anche, e soprattutto al nostro Pianeta, che dallo sviluppo di queste ricerche (oltre a le altre rinnovabili) sarà il primo a guadagnarci. In un mondo in cui siamo abituati a vivere di programmi a breve termine è facile muovere critiche contro progetti che sembrano non esserci di concreta utilità, se non dannosi perché estremamente costosi. Non dobbiamo aver paura od essere sfiduciati da prospettive che ci sembrano molto lontane e sviluppate lungo archi generazionali, perché alla fine sarà tutto il genere umano a raccoglierne i frutti, certamente più puliti e nutrienti.

[1] https://www.iter.org/newsline/-/2482

[2] https://www.iter.org/proj/itermilestones

 

Riferimenti: 

Magnetic Confinement Fusion: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/NucEne/fusmag.html

Reattore e Fusione: https://science.howstuffworks.com/fusion-reactor.htm

Euro-fusion: https://www.euro-fusion.org/

ITER: https://www.iter.org/

Nucleosintesi Stellare: http://www.iasf-milano.inaf.it/Divulgazione/divulgazione/doc/nucleosintesi.PDF

La realizzazione del tokamak ITER: https://www.youtube.com/watch?v=OXAurdAVL4E

How Far Away is Fusion? Unlocking the Power of the Sun: https://www.youtube.com/watch?v=AFoqBWMbP_Y

ITER: The world’s largest fusion experiment | The Edge: https://www.youtube.com/watch?v=kuq1HU2gYEk

Nuclear Fusion Energy: The Race to Create a Star on Earth: https://www.youtube.com/watch?v=knrHPneSN10

“Benvenuti nell’Antropocene. L’uomo ha cambiato il clima, la Terra entra in una nuova era” Crutzen Paul J. Editore Mondadori 2005 Collana: Strade blu