Sai che il plasma è fondamentale per i nuovi reattori a fusione nucleare?

Secondo l’agenzia Xinhua News, la Cina ha completato la costruzione di un nuovo reattore a fusione nucleare. Sarà operativo dal 2020.

L’interno di un Tokamak, una camera toroidale magnetica in cui avviene la fusione nucleare

Si chiama HL-2M e si trova a Leshan, nella provincia del Sichuan. È il nuovo reattore sperimentale a fusione nucleare costruito dalla Cina e rappresenta l’ultimo contributo del Paese asiatico alla ricerca per la costruzione dell’ITER. In questo articolo scopriremo che cos’è l’ITER, come funziona un reattore a fusione nucleare e che cos’è il plasma.

Un progetto internazionale per la costruzione del più grande reattore a fusione

L’ITER (o International Thermonuclear Experimental Reactor) è un progetto internazionale che ha come obiettivo la realizzazione del più grande reattore a fusione nucleare di tipo sperimentale. Del progetto fanno parte la Cina, l’Unione Europea, l’India, il Giappone, la Corea del Sud, la Russia e gli Stati Uniti. Il reattore è in fase di costruzione a Cadarache, nel sud della Francia, e i costi per la costruzione si aggirano intorno ai 15 miliardi di euro. La domanda che ci poniamo è: come mai si è investito così tanto in quello che sarà solo un reattore sperimentale?

La risposta è sopra la nostra testa e si chiama Sole. Nel nucleo di quest’ultimo, a causa dell’immensa pressione (500 miliardi di atmosfere) e delle temperature elevatissime (15 milioni di gradi Celsius), avvengono una serie di reazioni di fusione nucleare. In particolare, gli atomi di idrogeno del nucleo non possono rimanere integri a queste temperature e si separano in protoni ed elettroni. L’energia termica è così alta che più protoni, quando si incontrano casualmente, vincono la repulsione elettrica tra cariche dello stesso segno e si uniscono a formare un nucleo di elio. Ogni secondo, 594 milioni di tonnellate di idrogeno vengono convertite, rilasciando un’energia pari a 386 miliardi di miliardi di megajoule. Quest’energia si diffonde poi in tutto il sistema solare e permette, tra le altre cose, la nascita e lo sviluppo della vita sulla Terra.

L’interno del nucleo solare con alcune informazioni aggiuntive

La fusione nucleare come metodo di produzione di energia

Il motivo che spiega come la fusione di più atomi di idrogeno a formare un atomo di elio possa liberare energia è stato spiegato dalla teoria della relatività ristretta di Einstein (per intenderci quella in cui compare la formula E=mc^2). Quest’ultima spiega una correlazione diretta tra la massa e l’energia, viste come due lati della stessa medaglia. In altre parole, dopo la fusione, l’atomo di elio risultante peserà di meno rispetto al peso complessivo dei due atomi di idrogeno. La massa mancante si sarà trasformata in energia (principalmente energia cinetica dei prodotti della fusione).

Il sogno di ogni fisico, a partire dagli anni Cinquanta, è quello di ricreare questa reazione sulla Terra in modo da sfruttarla per la produzione di energia. I vantaggi di un’ipotetica centrale a fusione nucleare sarebbero notevoli. Non scaricherebbe in atmosfera i prodotti della combustione, come invece fa una centrale termoelettrica, e non produrrebbe nemmeno scorie radioattive (come invece avviene per le esistenti centrali a fissione nucleare).

Tuttavia, ricostruire e controllare nel tempo le condizioni in cui tale reazione può avvenire è estremamente difficile (ricordate le condizioni termodinamiche del nucleo solare?). È questo uno degli obiettivi principali dell’ITER.

Reazione di fusione nucleare tra due isotopi dell’idrogeno (deuterio e trizio) per formare un atomo di elio

All’interno del reattore la materia si troverà sotto forma di plasma

Nella situazione che abbiamo descritto in precedenza, la materia esiste sotto forma di plasma. Quest’ultimo, da molti considerato il quarto stato della materia, è un insieme di particelle in cui gran parte degli elettroni si è staccata dal nucleo centrale dell’atomo. È, perciò, una sorta di gas composto da ioni e da elettroni. Esso si può presentare con densità piuttosto svariate: si va dal plasma rarefatto di cui sono composti gli spazi interstellari, al plasma super-denso presente all’interno del Sole. L’aurora boreale e i fulmini sono tra i pochi esempi di plasma terrestre.

Ora, poiché composto da particelle cariche, il plasma è un ottimo conduttore elettrico e, pertanto, risponde fortemente ai campi elettromagnetici. Grazie a questa caratteristica è possibile confinarlo all’interno di un Tokamak. Quest’ultima è una camera magnetica a forma toroidale (simile a una ciambella) all’interno della quale si può guidare magneticamente il plasma in modo tale da fargli percorrere una traiettoria circolare.

Il fulmine, un esempio di plasma sulla Terra

Un viaggio all’interno del Tokamak dell’ITER

Ora possediamo gran parte delle conoscenze per capire cosa avverrà all’interno del Tokamak dell’ITER. Per prima cosa, all’interno della camera toroidale sarà creato un alto vuoto iniziale (pressione di 0.1 Pa). Una miscela gassosa di deuterio e trizio (due isotopi dell’idrogeno) sarà iniettata all’interno della camera. Un sistema elettrico si occuperà della ionizzazione del gas, dando origine al plasma. Quest’ultimo sarà messo in movimento da un campo magnetico generato da un solenoide centrale e da 24 bobine superconduttrici che circonderanno il Tokamak (questi ultimi dovranno essere mantenuti a una temperatura prossima allo zero assoluto). All’interno della camera saranno poi inseriti degli atomi di idrogeno ad altissima velocità. Un sistema a radiofrequenza porterà in risonanza tutte le particelle interne. Le collisioni tra gli atomi di idrogeno e il plasma, unite alla risonanza raggiunta da ioni ed elettroni, innalzeranno la temperatura interna fino a 150 milioni di gradi, circa dieci volte la temperatura del nucleo solare. In queste condizioni potrà iniziare la fusione nucleare e il plasma emetterà energia sotto forma di calore.

Solo a quel punto, se l’ITER dovesse riuscire nel suo intento, si potrebbe iniziare a ragionare sulla quantità di calore prodotta e inserire un reattore analogo in un impianto di produzione di energia. Fino ad allora, la possibilità di avere un sole sulla Terra resterà solo un sogno. Il sogno di ogni fisico degli anni Cinquanta.

Schema delle componenti del reattore ITER e dei costruttori (Enea)

Lascia un commento

Questo sito usa Akismet per ridurre lo spam. Scopri come i tuoi dati vengono elaborati.