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ⓘ Reattore nucleare a fusione




Reattore nucleare a fusione
                                     

ⓘ Reattore nucleare a fusione

In ingegneria energetica e nucleare un reattore nucleare a fusione è un tipo di reattore nucleare in grado di gestire una reazione di fusione nucleare in modo controllato. Ad oggi non esistono reattori a fusione capaci di produrre continuativamente energia elettrica: gli unici impianti esistenti sono impianti sperimentali che consumano complessivamente più energia elettrica di quella che producono.

Vi sono ingenti investimenti in questo tipo di reattori anche se si ritiene che i primi impianti potranno essere operativi solo intorno al 2050.

                                     

1. Opzioni per il confinamento del plasma di fusione

Diverse opzioni per il confinamento del plasma di fusione sono attualmente considerate:

  • Confinamento magnetico: è la strategia principale. Le prestazioni migliori sono state raggiunte in configurazione tokamak, negli esperimenti JET e JT60-U; il futuro esperimento ITER, ancora lontano dallessere un reattore per la produzione di energia elettrica, dovrà fornire risposte definitive sulle prestazioni raggiungibili da un tokamak. Una opzione alternativa è la configurazione stellarator, studiata negli esperimenti WX-7 in Europa, e LHD in Giappone. La configurazione RFP non è più considerata per un reattore, ma rimane di interesse per studi di turbolenza e confinamento di plasma. Un reattore a confinamento magnetico può funzionare in maniera continua sostenendo la scarica di plasma tramite riscaldamenti addizionali come gli NBI o riscaldamenti a onde e.g. ECRH.
  • Confinamento inerziale: è una strategia molto meno sviluppata e secondaria nella ricerca per scopi civili di produzione elettrica. Tramite limpiego di laser, o metodi alternativi. Limpianto che ha dimostrato ufficialmente la validità della tecnica del confinamento laser è stato il National Ignition Facility americano, che ha generato più energia di quella consumata per ottenerla. La Z machine presso Sandia National Laboratories sfrutta la forza di Lorentz generata dal passaggio di correnti elevatissime per il confinamento Z-pinch e detiene il record per la temperatura più alta mai ottenuta in laboratorio. Entrambi questi sistemi permetterebbero solo un funzionamento pulsato, con sostituzione della capsula di combustibile decine di volte per secondo.

Attualmente, solo lEuropa si è data una roadmap verso lenergia elettrica da fusione. Tramite EUROfusion, fondato nel 2013, è incominciata la progettazione di un reattore a confinamento magnetico in grado di produrre energia elettrica DEMO, di cui si inizierà la costruzione nel caso in cui ITER dimostri la produzione di energia termica con un netto guadagno sul consumo di energia.

                                     

2. Sviluppi attuali e futuri

Tra i vari progetti di ricerca il più ambizioso attualmente è il progetto internazionale ITER. Il progetto ITER punta a sviluppare un reattore sperimentale in grado di sostenere una reazione di fusione nucleare per diversi minuti. Il progetto ITER ha un budget di 20 miliardi di Euro e va sottolineato che non mira a produrre direttamente energia elettrica ma punta a dimostrare la capacità dellimpianto di sostenere una reazione nucleare controllata basata sulla fusione nucleare che produca più energia di quanta ne consumi.

Oggi è in corso la costruzione in scala 1:1 del primo reattore per la fusione del progetto ITER nel sito scelto di Cadarache in Francia è prevista la produzione del primo plasma entro il 2020.

La produzione di energia elettrica verrà demandata al progetto successivo chiamato DEMO. DEMO si avvantaggerà dellesperienza derivata dal progetto ITER e integrerà il reattore con tutte le infrastrutture necessarie alla produzione di energia elettrica in modo efficiente. Per ottenere una buona resa energetica il reattore del progetto DEMO dovrà essere necessariamente più grande del reattore ITER anche se le dimensioni definitive sono ancora oggetto di studio.

Dopo lo sviluppo del progetto DEMO si potranno progettare delle centrali nucleari a fusione per uso industriale che quindi tengano in debita considerazione anche gli aspetti economici legati alla realizzazione delle suddette centrali e che quindi siano convenienti anche dal punto di vista economico. La denominazione provvisoria in ambito europeo del progetto successivo a DEMO è PROTO.

                                     

2.1. Sviluppi attuali e futuri Vantaggi

La reazione di fusione nucleare produce, come unico tipo di scoria, 4 che è un gas inerte e assolutamente non radioattivo secondo la fisica nucleare è il nuclide più stabile possibile, inoltre le centrali a fusione nucleare non produrrebbero energia tramite combustione di combustibili fossili e quindi non inquinerebbero latmosfera e, soprattutto, non incentiverebbero leffetto serra di fatto non avrebbero emissioni di pericolosità rilevante. Inoltre dovrebbero essere in grado di ottenere grandi quantità di energia la taglia prevista per DEMO è di 1.000 MWe, per le centrali successive lorientamento attuale è di non superare tale taglia unicamente per motivi infrastrutturali. Il peggior isotopo che potrebbe essere disperso nellambiente è il trizio che ha un tempo di dimezzamento di 12.3 anni, un periodo molto ridotto rispetto ad alcuni isotopi prodotti dalle centrali a fissione che possono dimezzarsi in migliaia di anni.

Dal punto di vista della sicurezza le centrali a fusione con confinamento magnetico, come ITER e DEMO, non hanno nessuna possibilità di avere un comportamento per cui la reazione possa continuare in assenza del contenimento del plasma. Questo garantisce molto nei confronti delle centrali a fissione, che comunque si basano su reazioni nucleari in cui è possibile avere una reazione a catena.



                                     

2.2. Sviluppi attuali e futuri Svantaggi

La fusione richiede temperature di lavoro elevatissime, tanto elevate da non poter essere contenuta in nessun materiale esistente. Il plasma di fusione viene quindi confinato grazie allausilio di campi magnetici di intensità elevatissima. Daltra parte, per raggiungere le alte temperature necessarie a innescare e sostenere la reazione, vi sono varie tecniche possibili. Una delle più promettenti consiste nel concentrare sul plasma in cui deve avvenire la reazione di fusione fasci di onde elettromagnetiche a elevata frequenza, comunque inferiore alla frequenza della luce visibile. Uno dei problemi dal 2007 più studiati è la costruzione delle antenne necessarie a generare questi fasci in ITER. Il tutto rende il processo difficile, tecnologicamente complesso e dispendioso.

I materiali che entrano nella reazione sono il deuterio, facilmente reperibile in natura, e il trizio, che invece, a causa del suo breve periodo di decadimento, non è presente in natura. Questo comporta che sia la centrale a dover generare la quantità di trizio richiesta per le reazioni nucleari che dovranno produrre energia. Il trizio è comunque facilmente ottenibile facendo reagire il litio con un neutrone. Pertanto uno dei componenti chiave della futura centrale energetica a fusione sarà il blanket, che è la parte di centrale in cui i neutroni di reazione

reagiscono con 6 Li per formare trizio

il problema di quale sia il miglior sistema per usare il Li nel blanket è completamente aperto e oggetto degli studi in corso 2007 per DEMO. Dato che deve utilizzare i neutroni generati dal plasma, il blanket deve essere più vicino possibile al plasma stesso, quindi entro il volume in cui è generato il vuoto per conservare la purezza del plasma.

                                     

3. Ricerche sulla fusione nucleare boro-protone a confinamento laser

Nel 2004 scienziati russi, diretti da Vladimir Krainov, riuscirono a produrre una reazione di fusione nucleare controllata innescata dal confinamento laser, tra protoni atomi didrogeno privi dellelettrone e atomi di boro, alla temperatura di 1 miliardo di kelvin, senza emissione di neutroni o qualsiasi altra particella radioattiva. Purtroppo lenergia richiesta dal laser supera di molto quella prodotta dalla reazione. Verso la fine del 2014, gli scienziati dei Lawrence Livermore Laboratory in California, per un diverso progetto, seppure fondato sul confinamento laser, hanno compiuto un passo avanti interessante anche se limitato: come hanno spiegato sulla rivista scientifica Nature, avendo colpito il contenitore degli isotopi, i laser hanno indotto lemissione di raggi x, lenergia dei quali è stata superata da quella liberata dagli isotopi stessi; ciò ancora non consente di parlare di ignizione che si avrebbe quando lenergia prodotta raggiungesse o superasse quella spesa per produrla.