mercoledì, Maggio 22, 2024

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Come funziona un reattore a fusione nucleare

Come funziona un reattore a fusione nucleare? Le differenze fra fusione e fissione nucleare. Il progetto ITER l’energia nucleare del futuro.

Reattore a fusione nucleare: vediamo come funziona, le differenze fra fusione e fissione nucleare.

Cos’è la fusione nucleare?

La fusione nucleare è una reazione nucleare in cui due nuclei di atomi leggeri, solitamente idrogeno e suoi isotopi (deuterio e trizio), si uniscono per formare un altro nucleo più pesante, rilasciando particelle nel processo.

Perché avvenga una reazione di fusione, è necessario raggiungere elevati livelli di energia che consentano ai nuclei di avvicinarsi a distanze molto brevi in ​​cui la forza di attrazione nucleare vince le forze elettrostatiche repulsive.

Per ottenere l’energia necessaria, è possibile utilizzare acceleratori di particelle o utilizzare il riscaldamento a temperature molto elevate. Quest’ultima soluzione si chiama fusione termica. Consiste nel riscaldare gli atomi fino a raggiungere una massa gassosa chiamata plasma. Il plasma è composto da elettroni liberi e atomi altamente ionizzati.

fusione nucleare

Cos’è la fissione nucleare?

La fissione nucleare è una reazione in cui un nucleo pesante, bombardato da neutroni, diventa instabile e si decompone in due nuclei. Le dimensioni dei due nuovi nuclei sono dello stesso ordine di grandezza. Durante il processo di fissione nucleare, viene rilasciata energia immettendo due o tre neutroni.

In una piccola frazione di secondo, il numero di nuclei fissili rilascia energia un milione di volte maggiore di quella ottenuta.

Questi neutroni, a loro volta, possono causare più fissioni interagendo con nuovi nuclei fissili che emetteranno nuovi neutroni e così via. Questo effetto moltiplicatore è noto come reazione a catena.

Fusione nucleare e fissione nucleare: due strategie diverse per ottenere energia.

La fusione e la fissione nucleare hanno un comune obiettivo: rilasciare l’energia contenuta nel nucleo di un atomo.

In entrambi i casi l’energia viene rilasciata sotto forma di calore. All’interno delle centrali nucleari, viene ceduta all’acqua contenuta in un enorme serbatoio per generare vapore acqueo ad alta temperatura.

L’energia cinetica del vapore acqueo in movimento viene trasformata in energia meccanica facendo girare le turbine della centrale nucleare. Infine, viene nuovamente trasformata, questa volta in energia elettrica, grazie all’attivazione di un generatore che produce l’energia elettrica.

La fissione e la fusione sono reazioni nucleari che mirano a rilasciare energia dal nucleo dell’atomo.

Questo processo è chiaramente allineato al principio di conservazione dell’energia di cui tutti abbiamo sentito parlare quando eravamo a scuola. Questa legge dice che l’energia non viene né creata né distrutta, ma semplicemente trasformata da una forma di energia a un’altra.

Un’importante conseguenza di questo principio è che l’energia totale di un sistema rimane costante, quindi è la stessa prima e dopo ogni trasformazione.

L’energia contenuta nel nucleo di un atomo viene rilasciata sotto forma di calore o energia termica, indipendentemente dal fatto che ricorriamo alla procedura di fissione o fusione nucleare. Proprio questa è la funzione del reattore nucleare: trasformare l’energia nucleare contenuta negli atomi in energia termica.

Due strategie diverse

È interessante notare che il principio di funzionamento di base delle centrali elettriche che utilizzano petrolio, carbone o gas come combustibile è esattamente lo stesso: riscaldare l’acqua da un serbatoio per produrre vapore e azionare una turbina.

Tutti i reattori nucleari commerciali che usiamo oggi usano la fissione, non la fusione nucleare.

Come funziona un reattore a fusione nucleare?

In un reattore a fusione, il plasma caldo è confinato magneticamente all’interno di un recipiente in cui è disegnato quello che chiamiamo vuoto ultra alto, che è il massimo che si può ottenere.

Come risultato delle reazioni di fusione, si producono neutroni che escono da quella collisione con molta energia e colpiscono un muro apposito in cui catturare l’energia.

Da lì, il processo è come l’energia di fissione nucleare. L’energia raggiunge un circuito che riscalda l’acqua e va a una turbina per inviarla alla rete di distribuzione dell’elettricità.

Un reattore a fusione ha una complessità tecnologica aggiunta che, però, in pratica, è un enorme vantaggio.

La rigenerazione del combustibile durante il processo di fusione. Il trizio è un elemento che non esiste in natura e che si ottiene proprio nelle centrali nucleari a fissione.

La necessità di reattori a fissione nucleare per il funzionamento dei reattori a fusione nucleare, viene risolta perché nei reattori a fusione nucleare sono progettati dispositivi chiamati mantelli rigenerativi.

I mantelli rigenerativi ricoprono la prima parete della camera in cui si trova il plasma e la cui missione è proprio quella di rigenerare il trizio.

Ciò avviene perché l’energia dei neutroni in eccesso dal processo di fusione favorisce una reazione all’interno di quei dispositivi che rigenerano il trizio da una miscela di litio-piombo in circolazione per la reiniezione nel plasma.

In questo modo, dovremo produrre solo un po’ di trizio per avviare la fusione. I nostri combustibili primari sarebbero il deuterio (dall’acqua) e il litio.

Vantaggi dell’energia da fusione nucleare

Uno dei vantaggi dell’energia da fusione rispetto alla combustione di combustibili fossili, che sono la causa del cambiamento climatico, è che non emette CO₂. Inoltre, la fusione non ha reazioni a catena che richiedono arresti di reazione complessi né genera rifiuti di alto livello.

In un reattore a fusione, in caso di guasto, la reazione si interrompe spontaneamente, poiché il plasma stesso è molto “delicato” e il minimo disturbo lo fa raffreddare e morire.

Reattore nucleare ITER

L’ITER, (International Thermonuclear Experimental Reactor), è un esperimento scientifico su larga scala che cerca di produrre un plasma di fusione che abbia una potenza termica dieci volte superiore a quella necessaria per riscaldare il plasma.

I partecipanti alle attività di progettazione concettuale di ITER hanno scelto questa parola per esprimere le loro speranze comuni che il progetto potesse portare allo sviluppo di una nuova forma di energia. Si tratta di un progetto di grande complessità ideato nel 1986 in Unione Sovietica (Tokamak), per dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della fusione nucleare.

reattore fusione nucleare iter

Quanto costa ITER?

ITER è in costruzione a Cadarache in Francia e costerà circa 24 miliardi di euro. Il costo del progetto lo rende il quinto progetto più costoso della storia, dopo il Programma Apollo, la Stazione Spaziale Internazionale, il Progetto Manhattan e lo sviluppo del sistema GPS.​

Quando sarà pronto ITER?

Se tutto andrà secondo i piani, ITER avvierà i test al plasma nel 2025. L’assemblaggio del reattore a fusione nucleare in costruzione a Cadarache, una cittadina nel sud della Francia, richiederà ancora poco più di tre anni.

Ed è che l’organizzazione che dirige questo progetto assicura di aver già completato il 75,6% dei compiti che devono essere intrapresi prima di avviare il reattore e iniziare i test al plasma.

Nel 2040 ITER dimostrerà la redditività energetica della fusione nucleare.
Tale dato tiene conto anche del tempo investito nella progettazione e realizzazione dei componenti del reattore a fusione nucleare. Nonché degli anni necessari per realizzare e ristrutturare gli edifici in cui effettuare le prove (lavori iniziati nel 2010).

Quando entrerà in funzione ITER?

Il calendario definito da EUROfusion, che è il consorzio internazionale che sostiene e finanzia ITER, contiene altre date che vale la pena non trascurare per farsi un’idea precisa della grandezza di questo progetto.

Nel 2028 inizieranno i test a bassa potenza con idrogeno ed elio. Nel 2032 inizieranno i test ad alta potenza con questi stessi gas e tre anni dopo. Nell’anno 2035, inizieranno i test ad alta potenza con deuterio e trizio.

E infine, se i test con questi due isotopi dell’idrogeno andranno bene, nel 2040 ITER dovrebbe dimostrare la redditività energetica della fusione nucleare.

Del resto, la fusione nucleare aspira a svolgere un ruolo di primo piano nell’adozione di un modello energetico sostenibile ed ecologico, che, se tutto andrà secondo i piani, arriverà negli anni ’60.

 

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