2
15 5 10 0 0 1.0 2.0 3.0 4.0 Q≈0.2 Q≈0.64 5.0 6.0 Tempo (s) Potenza di fusione (MW) JET (1997) JET (1997) JET (1991) JG00.57/1c D+T Plasma Mantello (contenente litio) Scambiatore di calore Camera da vuoto Generatore di vapore Turbina e generatore D Potenza elettrica Elio Trizio ed Elio Trizio Deuterio Magnete superconduttore 4 He T+ 4 He Struttura di schermaggio JG99.278/3c Gas Petrolio Biomasse e rifiuti Carbone Nucleare Idroelettrica 1 1980 Anno 1990 2000 2 3 4 5 6 7 8 9 0 10 11 Concentrazione di CO2 (ppm) C e n t r i n e l m o n d o p e r l o s t u d i o d e lla f u s i o n e Bobine di campo poloidale Bobine di campo toroidale Linea di campo magnetico Corrente di Plasma Plasma Campi magnetici in un tokamak Campi magnetici in uno stellaratore Primo Tokamak all’Istituto Kurchatov (Russia) Il Tokamak statunitense DIII-D (General Atomics) Il Joint European Torus (JET), Centro di Culham, Regno Unito Dentro la camera toroidale di JET, senza (a sinistra) e con (a destra) plasma Record mondiale di potenza di fusione nel JET JT-60U Evoluzione dal 1971 al 2003 della fornitura totale mondiale di En- ergia Primaria per combustibile (Miliardi di TEP). Fonte: IEA Evoluzione nel tempo della Con- centrazione di CO 2 nell’atmosfera Rappresentazione schematica di una centrale a fusione Anno 260 280 300 320 340 360 380 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 D57 D47 Mauna Loa South Pole Fornitura Totale Energia Primaria (Miliardi di TEP) Confinamento Magnetico Nella fusione tramite confinamento magnetico, il plasma è isolato dalle pareti da forti campi magne- tici. Le particelle cariche che formano il plasma, gli ioni caricati positivamente e gli elettroni negati- vamente, seguono le linee di campo magnetico. Il plasma è mantenuto in un contenitore a forma di ciambella, il “toro”, in cui le linee di campo magne- tico sono chiuse. Le particelle del plasma girano all’interno del “toro” per decine di migliaia di chilo- metri senza mai scontrarsi con le pareti. Il plasma resta così confinato in questa “gabbia magnetica”. Due categorie di macchine seguono questo tipo di configurazione: il tokamak e lo stellaratore. Esisto- no anche altre configurazioni magnetiche, come la macchina a campo inverso e il tokamak sferico. Fi- nora il tokamak ha ottenuto i risultati migliori. Per riscaldare il plasma e raggiungere un numero sufficiente di reazioni di fusione in una macchina a confinamento magnetico, è necessario usare una fonte esterna di riscaldamento, ad esempio le mi- croonde o i fasci di particelle ad alta energia. Una volta innescata la reazione di fusione, si crea una grande quantità di prodotti di reazione, nuclei di elio e neutroni, portatori di molta energia. Un plasma sostenuto dalle reazioni di fusione Uno dei prodotti delle reazioni di fusione tra deu- terio e trizio è un nucleo di elio, che possiede cir- ca il 20% dell’energia prodotta dalla reazione sotto forma di energia cinetica. Essendo elettricamente carico, il nucleo di elio viene intrappolato dal campo magnetico e trasferisce la sua energia alla miscela di deuterio e trizio. In questo modo il combustibile viene riscaldato. Se la macchina è sufficientemente grande, questo processo permette di raggiungere la temperatura necessaria per la fusione principalmente attraverso un processo di “autoriscaldamento”. Oltre ai nuclei di elio, ogni reazione di fusione produce un neutrone che possiede circa l’80% dell’energia generata. Essendo il neutrone elettrica- mente neutro, non è trattenuto dal campo magne- tico e penetra dentro il mantello (“blanket”), che ricopre le pareti del contenitore toroidale. Nel mantello l’energia dei neutroni è assorbita e rimossa da un fluido raffreddante. Come in una centrale di tipo convenzionale, il fluido riscaldato, transitando negli scambiatori di calore, genererà il vapore che, attraverso le turbine, produrrà energia elettrica. Alternativamente, le alte temperature po- tranno essere utilizzate per generare idrogeno. Fusione Inerziale La fusione nucleare con il metodo del “confinamen- to inerziale” è basata su un concetto differente. Una pallina del diametro di pochi millimetri, contenente una miscela di deuterio e trizio, è istantaneamente colpita da numerosi fasci di potenti laser. L’ablazio- ne della superficie della pallina di combustibile la fa implodere su se stessa con grande forza. La com- pressione causa un aumento di temperatura e den- sità fino a raggiungere un livello tale da permettere un gran numero di reazioni di fusione. La sfida più difficile nel campo della fusione inerzia- le consiste nel raggiungere un irraggiamento effi- cace ed omogeneo della pallina in modo ripetitivo. E’ previsto che in un reattore funzionante secondo questo principio ogni secondo debbano essere col- pite dalle dieci alle venti palline. Pietre miliari nella ricerca sulla fusione La ricerca mondiale nel campo della fusione ha fatto enormi passi avanti negli ultimi decenni. Dall’inizio degli anni 70 gli studi nei tokamaks hanno visto una rapida progressione che ha permesso di programmare i primi esperimenti con miscele di deuterio e tri- zio. Nel 1991, per la prima volta sulla terra, sono state ottenute reazioni di fusione nucleare con miscele di deuterio e trizio, con una potenza da fusione liberata di 1,7 MW. Questa importante pie- tra miliare della ricerca sulla fusione è stata raggiunta nel tokamak JET (Joint European Torus), costruito e utilizzato da fisici ed inge- gneri europei e situato vicino ad Oxford (Regno Unito). Nel 1994, 10 MW di potenza di fusione sono stati prodotti in un to- kamak statunitense, TFTR. Nel 1997 il successo del JET è continua- to con la produzione di potenza da fusione dell’ordine di decine di megawatt per alcuni secondi, con un massimo di 16 MW. La prossima pietra miliare I risultati di JET, insieme a quelli di molti altri tokamak esistenti al mondo, hanno permesso di sviluppare un’ampia base scientifica e tecnica per la prossima pietra miliare: il progetto internaziona- le ITER. ITER è un tokamak, progettato per produrre una potenza da fusione di centinaia di megawatt, dieci volte di più di quella immessa nel plasma. Produrrà plasmi riscaldati dalle reazioni di fusione e in condizioni simili a quelle di una centrale; avrà le tec- nologie chiave necessarie per fare della fusione una possible fonte di energia. Una energia sostenibile La fusione è una delle poche forme di energia sostenibile per il futuro dell’umanità nel lungo termine. Essa offre la prospet- tiva di un funzionamento sicuro, compatibile con l’ambiente e un’ampia disponibilità e sicurezza di approvvigionamento del combustibile. Una volta sviluppata, avrà la possibilità di giocare un ruolo primario nella produzione di energia di base insieme ad altre tecnologie. Le emissioni di gas ad effetto serra modifi- cano il clima, causando un aumento della temperatura del pianeta, una variazione di tipologia di precipitazioni e una crescita del livello delle acque. Per ridurre con urgenza queste emissioni ed evitare cosi’ seri danni all’ambiente sono necessarie misure ade- guate sia nel breve che nel lungo termine. La diminuzione delle emissioni concorda- ta nel protocollo di Kyoto è solo un primo passo. Un ulteriore importante contributo deve venire dallo sviluppo e dall’implementazio- ne di tecnologie per la produzione di ener- gia senza gas ad effetto serra. La fusione e’ una delle poche opzioni per contribuire ad un futuro in cui vengano utilizzate energie sostenibili. Se il programma di ricerca avrà successo, l’energia da fusione iniziera’ a dare il suo contributo nella seconda metà di questo secolo. Il deuterio e il trizio, i combustibili della fusio- ne, sono entrambi isotopi, e quindi più pesanti e meno comuni, dell’idrogeno. In ogni metro cubo di acqua ci sono circa 33 grammi di deute- rio, che è perciò geograficamente molto diffuso e poco costoso da ottenere. Il trizio, che ha una vita media di 12,3 anni, è estremamente raro in natura, perche’ viene creato in piccole quantitia’ solo dai raggi cosmici. Può però essere prodot- to artificialmente in una centrale a fusione par- tendo dal litio, che è uno dei metalli leggeri più abbondanti nella crosta terrestre. La quantità di combustibile necessaria per far funzionare una centrale a fusione è molto limi- tata. Solo 100 kg di deuterio (che corrispondo- no a 2800 metri cubi di acqua) e 150 kg di trizio (che corrispondono a 10 tonnellate di minerale di litio) saranno sufficienti per far funzionare una centrale da 1 GW elettrico per un anno. Per fare un paragone, una centrale a carbone della stessa taglia ha bisogno di 2,7 milioni di tonnel- late di carbone nello stesso periodo di tempo. Una piccola quantità di combu- stibile – un veloce spegnimento Sebbene il plasma in una centrale a fusione occupi un grande volume, 1000 metri cubi o più, la quantità totale di deuterio e trizio nel plasma è piccolissima: il peso del combustibile dentro la camera da vuoto che contiene il plasma è circa pari a quello di dieci francobolli. La limitatissima quantità di combustibile necessaria per il funzionamento è una caratteristica fondamentale per la sicurezza di una centrale a fusio- ne. Il processo di fusione può essere fermato in pochi secondi interrompendo il flusso di combustibile, pro- prio come un bruciatore a gas. Questo significa che una centrale a fusione può essere spenta in sicurezza molto velocemente. Inoltre, poiche’ e’ molto difficile mantenere le condi- zioni necessarie per l’esistenza del plasma, la fusione nucleare è un processo a sicurezza passiva: ogni de- viazione dalle condizioni ottimali di funzionamento causa una diminuzione dell’energia prodotta o lo spegnimento. Aspetti di sicurezza intrinseca In una centrale a fusione l’unica produzione di ener- gia, in caso di assenza di reazioni di fusione, è dovuta al decadimento radioattivo del materiale delle strut- ture che circondano il plasma. Studi sulla sicurezza hanno dimostrato come questa fonte di energia sia così piccola da non causare nessuna variazione peri- colosa di temperatura della struttura anche nel caso di una completa e indefinitamente prolungata man- canza di raffreddamento attivo. Il trizio: prodotto e utilizzato sul posto Una caratteristica unica delle centrali a fusione è che l’elemento radioattivo nella miscela di combustibile, il trizio, è prodotto all’interno della macchina stessa: i neutroni liberati dalla reazione di fusione reagiscono con il litio (contenuto in un “mantello” posto attorno al plasma) trasformandolo in trizio. In questo modo, l’unico elemento radioattivo nella miscela di combu- stibile è prodotto ed utilizzato all’interno della mac- china in un ciclo chiuso. Non deve essere trasportato, tranne che al momento dell’avviamento dell’impian- to e del suo smantellamento. Nessuna pericolosa emissione radioattiva I materiali primari per alimentare il reattore a fusio- ne, il deuterio e il litio, non sono radioattivi e possono essere trasportati senza problemi. Il prodotto della reazione di fusione consiste in una piccola quantità di elio, un gas inerte e non radioattivo. Studi detta- gliati sulla sicurezza dell’impianto hanno dimostrato che una centrale a fusione funziona senza rischi di emissioni radioattive nocive per la popolazione e l’ambiente. La massima quantità di trizio che potreb- be venire liberata in ogni possibile incidente all’inter- no della centrale sarebbe così piccola da non causare neppure l’evacuazione dell’area al di fuori del perime- tro della centrale. Le centrali a fusione saranno costru- ite in modo che il trizio venga utilizzato in modo sicu- ro, sottoposto a regole e procedure di autorizzazione molto restrittive. Materiali strutturali a bassa attivazione La reazione di fusione non crea prodotti radioattivi, ma i neutroni generati possiedono una grande quan- tità di energia che interagisce con le pareti della ca- mera da vuoto e dei componenti interni, rendendo radioattivi i materiali di cui sono costituiti. La radio- attività generata in un reattore a fusione dipenderà dai materiali scelti per la costruzione dei componenti in questione. Una giusta scelta dei materiali renderà possibile una considerevole riduzione del livello di attivazione dei rifiuti provenienti dai futuri impianti a fusione. Un importante campo di ricerca è quindi lo sviluppo di acciai a bassa attivazione o di leghe di vanadio e cromo. Anche materiali ceramici e compositi vengo- no studiati per la loro potenzialità di bassa attivazio- ne nel lungo termine. L’attuale strategia di ricerca sui materiali prevede anche IFMIF, un impianto interna- zionale per l’irraggiamento dei materiali per le future centrali a fusione. Questa fonte di neutroni ad alta intensità è necessaria per provare e verificare le pre- stazioni dei materiali. I risultati degli studi sui materiali condotti finora mo- strano che la radioattività prodotta durante il funzio- namento di una centrale a fusione decade rapida- mente, in circa cento anni, verso livelli di attivazione ai quali il materiale può essere riutilizzato. Una fonte di energia senza CO 2 Il combustibile per la fusione: praticamente inesauribile
