La fusione nucleare ha raggiunto una pietra miliare grazie a Better Reactor Walls

Gli scienziati di un laboratorio in Inghilterra hanno infranto il record per la quantità di energia prodotta durante una reazione di fusione controllata e sostenuta. La produzione di 59 megajoule di energia in cinque secondi all'esperimento Joint European Torus (JET) in Inghilterra è stato definita “una svolta” da alcuni organi di informazione e ha causato molta eccitazione tra i fisici. Ma una linea comune riguardo produzione di elettricità da fusione è che è”sempre a 20 anni di distanza. "

Siamo un fisico nucleare e ingegnere nucleare che studiano come sviluppare la fusione nucleare controllata allo scopo di generare elettricità.

Il risultato di JET dimostra notevoli progressi nella comprensione della fisica della fusione. Ma, cosa altrettanto importante, dimostra che i nuovi materiali utilizzati per costruire le pareti interne del reattore a fusione hanno funzionato come previsto. Il fatto che la nuova costruzione del muro abbia funzionato così bene è ciò che separa questi risultati dalle pietre miliari precedenti e eleva la fusione magnetica da un sogno verso una realtà.

Fusione di particelle insieme

La fusione nucleare è la fusione di due nuclei atomici in un nucleo composto. Questo nucleo poi si rompe e rilascia energia sotto forma di nuovi atomi e particelle che si allontanano velocemente dalla reazione. Una centrale elettrica a fusione catturerebbe le particelle in fuga e utilizzerebbe la loro energia per generare elettricità.

Ci sono alcuni diversi modi per controllare in sicurezza la fusione sulla Terra. La nostra ricerca si concentra sull’approccio adottato da JET: using potenti campi magnetici per confinare gli atomi finché non vengono riscaldati a una temperatura sufficientemente elevata da consentire la fusione.

Il combustibile per i reattori attuali e futuri sono due diversi isotopi di idrogeno, ovvero hanno un protone, ma un diverso numero di neutroni, chiamati deuterio e trizio. L'idrogeno normale ha un protone e nessun neutrone nel suo nucleo. Il deuterio ha un protone e un neutrone mentre il trizio ha un protone e due neutroni.

Affinché una reazione di fusione abbia successo, gli atomi di combustibile devono prima diventare così caldi che gli elettroni si liberano dai nuclei. Questo crea plasma, una raccolta di ioni ed elettroni positivi. È quindi necessario continuare a riscaldare il plasma finché non raggiunge una temperatura superiore a 200 milioni di gradi Fahrenheit (100 milioni di gradi Celsius). Questo plasma deve essere mantenuto in uno spazio ristretto ad alta densità per un periodo di tempo sufficientemente lungo gli atomi di combustibile si scontrano tra loro e si fondono insieme.

Per controllare la fusione sulla Terra, i ricercatori hanno sviluppato dispositivi a forma di ciambella:chiamati tokamak – che utilizzano campi magnetici per contenere il plasma. Le linee del campo magnetico che avvolgono l'interno della ciambella si comportano come binari del treno seguiti dagli ioni e dagli elettroni. Iniettando energia nel plasma e riscaldandolo, è possibile accelerare le particelle di carburante a velocità così elevate che quando si scontrano, invece di rimbalzare tra loro, i nuclei di carburante si fondono insieme. Quando ciò accade, rilasciano energia, principalmente sotto forma di neutroni veloci.

Durante il processo di fusione, le particelle di carburante si allontanano gradualmente dal nucleo caldo e denso e alla fine entrano in collisione con la parete interna del recipiente di fusione. Per evitare che le pareti si degradino a causa di queste collisioni, che a loro volta contaminano anche il combustibile di fusione, i reattori sono costruiti in modo da incanalare le particelle ribelli verso una camera pesantemente corazzata chiamata divertore. Questo pompa fuori le particelle deviate e rimuove il calore in eccesso per proteggere il tokamak.

Le mura sono importanti

Una delle principali limitazioni dei reattori del passato era il fatto che i divertori non potevano sopravvivere al costante bombardamento di particelle per più di pochi secondi. Per far sì che l’energia da fusione funzioni a livello commerciale, gli ingegneri devono costruire un recipiente tokamak che sopravviva per anni di utilizzo nelle condizioni necessarie per la fusione.

La parete del deviatore è la prima considerazione. Sebbene le particelle di carburante siano molto più fredde quando raggiungono il divertore, hanno ancora abbastanza energia per farlo staccare gli atomi dal materiale della parete del divertore quando entrano in collisione con esso. In precedenza, il divertore del JET aveva una parete in grafite, ma la grafite assorbe e intrappola una quantità eccessiva di carburante per un uso pratico.

Intorno al 2011, gli ingegneri del JET hanno aggiornato il divertore e le pareti interne del vaso al tungsteno. Il tungsteno è stato scelto in parte perché ha il punto di fusione più alto di qualsiasi metallo, una caratteristica estremamente importante quando è probabile che il divertore subisca carichi di calore quasi 10 volte più alto del muso di una navetta spaziale rientrare nell’atmosfera terrestre. La parete interna del vaso del tokamak è stata migliorata dalla grafite al berillio. Il berillio ha eccellenti proprietà termiche e meccaniche per un reattore a fusione assorbe meno carburante della grafite ma può comunque resistere alle alte temperature.

L'energia prodotta dal JET è stata ciò che ha fatto notizia, ma secondo noi è in realtà l'uso dei nuovi materiali delle pareti a rendere l'esperimento davvero impressionante perché i dispositivi futuri avranno bisogno di queste pareti più robuste per funzionare ad alta potenza per periodi ancora più lunghi di tempo. JET è una prova di successo di come costruire la prossima generazione di reattori a fusione.

I prossimi reattori a fusione

Il tokamak JET è il più grande e avanzato reattore a fusione magnetica attualmente in funzione. Ma la prossima generazione di reattori è già in lavorazione, soprattutto l'esperimento ITER, che inizierà le operazioni nel 2027. ITER, che in latino significa "la via", lo è in costruzione in Francia e finanziato e diretto da un'organizzazione internazionale che include gli Stati Uniti.

ITER metterà a frutto molti dei progressi materiali che il JET ha dimostrato essere realizzabili. Ma ci sono anche alcune differenze fondamentali. Innanzitutto, ITER è enorme. La camera di fusione è 37 piedi (11.4 metri) di altezza e 63 piedi (19.4 metri) di circonferenza, più di otto volte più grande del JET. Inoltre, ITER utilizzerà magneti superconduttori in grado di produrre energia campi magnetici più forti per periodi di tempo più lunghi rispetto ai magneti del JET. Con questi aggiornamenti, si prevede che ITER supererà i record di fusione del JET, sia in termini di produzione di energia che di durata della reazione.

Si prevede inoltre che ITER faccia qualcosa di fondamentale per l'idea di una centrale elettrica a fusione: produrre più energia di quella necessaria per riscaldare il combustibile. I modelli prevedono che ITER produrrà circa 500 megawatt di potenza ininterrottamente per 400 secondi consumando solo 50 MW di energia per riscaldare il carburante. Ciò significa il reattore ha prodotto 10 volte più energia di quella consumata-un enorme miglioramento rispetto al JET, che richiedeva circa tre volte più energia per riscaldare il carburante di quella prodotta per il suo recente Record di 59 megajoule.

I recenti risultati del JET hanno dimostrato che anni di ricerca nella fisica del plasma e nella scienza dei materiali hanno dato i loro frutti e hanno portato gli scienziati a sfruttare la fusione per la produzione di energia. ITER rappresenterà un enorme passo avanti verso l'obiettivo di centrali elettriche a fusione su scala industriale.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: Rswilcox/Wikimedia Commons

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• Fonte: https://singularityhub.com/2022/04/10/nuclear-fusion-hit-a-milestone-thanks-to-better-reactor-walls/