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Energia da fusione nucleare: a che punto siamo?

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Crisi climatica ed energetica sono, a buon diritto, in cima alle preoccupazioni di popolazioni e governi di gran parte del mondo. Non vi è giorno in cui non si commentano sui mezzi d’informazione le gravi conseguenze del riscaldamento globale dovuto all’azione antropica e i problemi connessi alla disponibilità e al costo delle materie prime necessarie alla produzione di energia. Ça va sans dire, le due questioni sono strettamente connesse.

La fusione nucleare alla luce dei nuovi progressi tecnologici

 

L’aumento della temperatura media sulla superficie del nostro pianeta, chiaramente registrato nel corso degli ultimi 100 anni, è principalmente dovuto all’immissione di gas serra in atmosfera conseguente alla combustione di carbone, petrolio e gas naturale. È evidente che in base al nostro attuale modello di sviluppo, l’evoluzione dell’umanità non può fare a meno di adeguate risorse energetiche. Inoltre, la crescita della popolazione globale implica un aumento della richiesta di energia a costi sostenibili, e la crescente diffusione di tecnologia e lo sviluppo industriale implicano anch’essiuna crescitadel fabbisogno energetico. L’attuale sistema globale di approvvigionamento energetico ha due grandi limiti: la produzione di energia da combustibili fossili ha un impatto decisivo sull’ambiente e il loro ritmo di rinnovo è enormemente inferiore a quello del consumo. In altre parole, stiamo immettendo in atmosfera, in poche decine di anni, quantità di carbonio sequestrate nel sottosuolo da milioni di anni. Tutte le prospettive economiche mostrano che i bisogni energetici continueranno ad aumentare per due motivi principali: l’aumento della popolazione mondiale, che è attesa raggiungere 10 miliardi di persone intorno alla metà di questo secolo,e quello dei bisogni energetici dei paesi in via di sviluppo, le cui popolazioni reclamano, giustamente, condizioni di vita migliori e in linea con i paesi più sviluppati. Stiamo correndo come un treno a tutta velocità contro un muro e ne siamo consapevoli, ma non sappiamo se e come è possibile fermarsi o abbattere il muro. Che fare?

Consumo globale di energia in base alla fonte.

È certamente importante perseguire una politica di maggiore utilizzo di fonti rinnovabili di energia (eolica, solare e idrica). Tuttavia, è necessario osservare che tali fonti, al momento, contribuiscono al consumo energetico primario su scala globale per un ammontare pari acirca il 10%, peraltro largamente grazie all’idrico, che non può essere sfruttato oltre certi limiti, e in minima parte all’eolico e al solare (pochi percento), a fronte di un consumo complessivo che nel 2021 ha ecceduto i 170 PWh (170 milioni di milardi di wattora) e che è più che raddoppiato negli ultimi 50 anni (si veda Fig. 1). In altre parole, ammesso e non concesso che sia tecnicamente possibile ed economicamente sostenibile, e non considerando i necessari stravolgimenti della superficie del pianeta, è del tutto utopistico pensare di rimpiazzare completamente la produzione da combustibili fossili con quella da fonti rinnovabili. Manca però all’appello un’ulteriore fonte di energia: quella nucleare.

Come ben noto, esistono due possibili meccanismi per la produzione di energia nucleare, da fissione di nuclei pesanti e da fusione di nuclei leggeri. Reattori a fissione nucleare controllata sono relativamente facili da costruire ed in effetti sono in produzione da svariati decenni in tutto il mondo. La fissione nucleare presenta generalmente due problemi che ne hanno limitato la diffusione in alcuni paesi come il nostro: la produzione abbondante di combustibile esausto radioattivo, con tempi di decadimento dell’ordine delle decine o centinaia di migliaia di anni, che necessita di stoccaggio in depositi geologici a tempo praticamente indeterminato, e la possibilità, per quanto piccola non nulla, di incidenti che possano rilasciare nell’ambiente pericolosi radionuclidi. La percezione della pericolosità dei reattori a fissione da parte dell’opinione pubblica è peraltro poco aderente alla realtà dei fatti, legata nell’immaginario collettivo alla letalità degli armamenti nucleari e all’incidente di Chernobyl, che si stima abbia causato nel complesso circa 400 decessi. Quasi tutti ignorano ad esempio che la percentuale di decessi dovuti ad effetti diretti e indiretti (incidenti e inquinamento) della produzione di energia nucleare a fissione per unità di energia prodotta è dell’ordine di mille volte inferiore a quella di decessi dovuti alla produzione di energia con combustibili fossili. In termini assoluti si stima per difetto che a causa dell’uso di combustibili fossili circa 2,5 milioni di persone perdano la vita nel mondo ogni anno; questo numero scenderebbe a circa 5000 unità se tutta la produzione attuale fosse realizzata mediante reattori a fissione. Ciò detto, il problema dello stoccaggio delle scorie è comunque reale e di difficile soluzione, sebbene esistano proposte, come quella basata sul processo di trasmutazione all’interno di reattori sottocritici guidati da acceleratori, per diminuire di molti ordini di grandezza i tempi di smaltimento.

Veniamo allora a quello che è da molti considerato il Sacro Graal della produzione di energia: la fusione nucleare. Si sente spesso affermare che la fusione nucleare risolverebbe tutti i problemi che abbiamo di fronte: capacità di produzione virtualmente illimitata a basso costo e nessuna scoria radioattiva. Ma è proprio così? Cerchiamo di capirlo. Il modo più semplice di realizzare un processo di fusione nucleare è quello di fondere un nucleo di deuterio (composto da un protone ed un neutrone) con un nucleo di trizio (un protone e due neutroni). Nel processo di fusione di un nucleo di deuterio e uno di trizio si genera un nucleo di elio-4 (due protoni e due neutroni) con il rilascio di un neutrone e di una notevole quantità di energia. L’elio è un gas inerte di alcuna pericolosità, tanto che è possibile usarlo per gonfiare palloncini per bambini. I neutroni invece hanno una loro pericolosità e torneremo su questo aspetto fra un po’. Uno straordinario problema fisico e ingegneristico per realizzare la produzione controllata di energia da una reazione di fusione nucleare consiste nel fatto che, essendo i nuclei di deuterio e trizio carichi positivamente, questi tendono a respingersi e a mantenersi quindi ad una certa distanza tra loro, impedendo alla forza nucleare forte (che è preponderante a distanze dell’ordine del milionesimo di miliardesimo di metro) di entrare in funzione per effettuare la fusione dei nuclei e il conseguente rilascio di energia. Per questo motivo è necessario fornire ai due nuclei una grande energia cinetica in grado di vincere la repulsione elettrostatica e avvicinarli sufficientemente. In altre parole, è necessario che il plasma di deuterio e trizio venga condotto a temperature elevatissime, dell’ordine del centinaio di milioni di gradi. Il problema è che non può esistere alcun materiale in grado di contenere una massa calda con una temperatura superiore a poche migliaia di gradi. Il plasma alle temperature di fusione non può quindi essere contenuto all’interno di un qualunque contenitore. Già da molti decenni si è però capito che esistono almeno due approcci per consentire una reazione di fusione controllata senza bisogno che il plasma entri in contatto con le pareti di un contenitore. Le due modalità prendono il nome di fusione a confinamento magnetico e fusione inerziale.

Continua..

L’articolo completo a cura del dott. Vincenzo Vagnoni è disponibile in Coelum Astronomia n°260 di febbraio/marzo 2023

 

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