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L'energia termonucleare ha un futuro?
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Anonim

Per più di mezzo secolo, gli scienziati hanno cercato di costruire una macchina sulla Terra, in cui, come nelle viscere delle stelle, abbia luogo una reazione termonucleare. La tecnologia della fusione termonucleare controllata promette all'umanità una fonte quasi inesauribile di energia pulita. Gli scienziati sovietici sono stati all'origine di questa tecnologia e ora la Russia sta aiutando a costruire il più grande reattore a fusione del mondo.

Le parti del nucleo di un atomo sono tenute insieme da una forza colossale. Ci sono due modi per rilasciarlo. Il primo metodo consiste nell'utilizzare l'energia di fissione di grandi nuclei pesanti dall'estremità più lontana della tavola periodica: uranio, plutonio. In tutte le centrali nucleari sulla Terra, la fonte di energia è proprio il decadimento dei nuclei pesanti.

Ma c'è anche un secondo modo per liberare l'energia dell'atomo: non dividere, ma, al contrario, unire i nuclei. Quando si fondono, alcuni di loro rilasciano ancora più energia dei nuclei di uranio fissile. Più leggero è il nucleo, più energia verrà rilasciata durante la fusione (come si dice, fusione), quindi il modo più efficace per ottenere l'energia della fusione nucleare è forzare i nuclei dell'elemento più leggero - l'idrogeno - e i suoi isotopi a fondersi.

Stella della mano: solidi professionisti

La fusione nucleare è stata scoperta negli anni '30 studiando i processi che avvengono all'interno delle stelle. Si è scoperto che le reazioni di fusione nucleare avvengono all'interno di ciascun sole e che la luce e il calore sono i suoi prodotti. Non appena questo è diventato chiaro, gli scienziati hanno pensato a come ripetere ciò che sta accadendo nelle viscere del Sole sulla Terra. Rispetto a tutte le fonti energetiche conosciute, il "sole mano" presenta una serie di indiscutibili vantaggi.

Innanzitutto, l'idrogeno ordinario funge da combustibile, le cui riserve sulla Terra dureranno per molte migliaia di anni. Anche tenendo conto del fatto che la reazione non richiede l'isotopo più comune, il deuterio, un bicchiere d'acqua è sufficiente per fornire elettricità a una piccola città per una settimana. In secondo luogo, a differenza della combustione degli idrocarburi, la reazione di fusione nucleare non produce prodotti tossici - solo il gas neutro elio.

Pro dell'energia da fusione

Rifornimenti di carburante quasi illimitati. In un reattore a fusione, gli isotopi dell'idrogeno - deuterio e trizio - funzionano come combustibile; puoi anche usare l'isotopo elio-3. C'è molto deuterio nell'acqua di mare: può essere ottenuto mediante elettrolisi convenzionale e le sue riserve nell'Oceano Mondiale dureranno per circa 300 milioni di anni all'attuale domanda di energia dell'umanità.

C'è molto meno trizio in natura, è prodotto artificialmente nei reattori nucleari - ma è necessario molto poco per una reazione termonucleare. Non c'è quasi elio-3 sulla Terra, ma ce n'è molto nel suolo lunare. Se un giorno avremo energia termonucleare, sarà probabilmente possibile volare sulla luna per il carburante.

Nessuna esplosione. Ci vuole molta energia per creare e mantenere una reazione termonucleare. Non appena la fornitura di energia si interrompe, la reazione si interrompe e il plasma riscaldato a centinaia di milioni di gradi cessa di esistere. Pertanto, un reattore a fusione è più difficile da accendere che spegnere.

Bassa radioattività. Una reazione termonucleare produce un flusso di neutroni che vengono emessi dalla trappola magnetica e si depositano sulle pareti della camera a vuoto, rendendola radioattiva. Creando una speciale "coperta" (coperta) attorno al perimetro del plasma, decelerando i neutroni, è possibile proteggere completamente lo spazio attorno al reattore. La coperta stessa diventa inevitabilmente radioattiva nel tempo, ma non per molto. Lasciandolo riposare per 20-30 anni, è possibile ottenere nuovamente materiale con una radiazione di fondo naturale.

Nessuna perdita di carburante. C'è sempre il rischio di perdite di carburante, ma un reattore a fusione richiede così poco carburante che anche una perdita completa non minaccia l'ambiente. Il lancio di ITER, ad esempio, richiederebbe solo circa 3 kg di trizio e un po' più di deuterio. Anche nello scenario peggiore, questa quantità di isotopi radioattivi si dissiperà rapidamente nell'acqua e nell'aria e non causerà danni a nessuno.

Niente armi. Un reattore termonucleare non produce sostanze che possono essere utilizzate per fabbricare armi atomiche. Pertanto, non c'è pericolo che la diffusione dell'energia termonucleare porti a una corsa al nucleare.

Come illuminare il "sole artificiale", in termini generali, divenne chiaro già negli anni Cinquanta del secolo scorso. Su entrambe le sponde dell'oceano sono stati eseguiti calcoli che hanno fissato i parametri principali di una reazione di fusione nucleare controllata. Dovrebbe avvenire a una temperatura enorme di centinaia di milioni di gradi: in tali condizioni, gli elettroni vengono strappati dai loro nuclei. Pertanto, questa reazione è anche chiamata fusione termonucleare. Nudi nudi, scontrandosi tra loro a velocità vertiginosa, superano la repulsione coulombiana e si fondono.

Il primo tokamak T-1. al mondo
Il primo tokamak T-1. al mondo

Problemi e soluzioni

L'entusiasmo dei primi decenni si scontrò con l'incredibile complessità del compito. Il lancio della fusione termonucleare si è rivelato relativamente facile, se eseguito sotto forma di esplosione. Gli atolli del Pacifico e i siti di test sovietici a Semipalatinsk e Novaya Zemlya hanno sperimentato tutta la potenza di una reazione termonucleare già nel primo decennio del dopoguerra.

Ma usare questo potere, tranne che per la distruzione, è molto più difficile che far esplodere una carica termonucleare. Per utilizzare l'energia termonucleare per generare elettricità, la reazione deve essere condotta in modo controllato in modo che l'energia venga rilasciata in piccole porzioni.

Come farlo? L'ambiente in cui avviene una reazione termonucleare è chiamato plasma. È simile al gas, solo che a differenza del gas normale è costituito da particelle cariche. E il comportamento delle particelle cariche può essere controllato utilizzando campi elettrici e magnetici.

Pertanto, nella sua forma più generale, un reattore termonucleare è un coagulo di plasma intrappolato in conduttori e magneti. Impediscono al plasma di fuoriuscire e, mentre lo fanno, i nuclei atomici si fondono all'interno del plasma, a seguito del quale viene rilasciata energia. Questa energia deve essere rimossa dal reattore, utilizzata per riscaldare il refrigerante e deve essere ottenuta l'elettricità.

Trappole e perdite

Il plasma si è rivelato essere la sostanza più capricciosa che le persone sulla Terra hanno dovuto affrontare. Ogni volta che gli scienziati trovavano un modo per bloccare un tipo di perdita di plasma, ne veniva scoperta una nuova. L'intera seconda metà del XX secolo è stata spesa per imparare a mantenere il plasma all'interno del reattore per un periodo di tempo significativo. Questo problema ha iniziato a cedere solo ai nostri giorni, quando sono comparsi potenti computer che hanno permesso di creare modelli matematici del comportamento del plasma.

Non c'è ancora consenso su quale metodo sia il migliore per il confinamento del plasma. Il modello più famoso, il tokamak, è una camera a vuoto a forma di ciambella (come dicono i matematici, un toro) con trappole al plasma all'interno e all'esterno. Questa configurazione avrà l'impianto termonucleare più grande e costoso del mondo: il reattore ITER attualmente in costruzione nel sud della Francia.

ITER
ITER

Oltre al tokamak, ci sono molte possibili configurazioni di reattori termonucleari: sferici, come nel Globus-M di San Pietroburgo, stellaratori bizzarramente curvi (come il Wendelstein 7-X al Max Planck Institute of Nuclear Physics in Germania), laser trappole inerziali, come il NIF americano. Ricevono molta meno attenzione dei media rispetto a ITER, ma hanno anche grandi aspettative.

Ci sono scienziati che considerano il design dello stellarator fondamentalmente più efficace del tokamak: è più economico da costruire e il tempo di confinamento del plasma promette di dare molto di più. Il guadagno di energia è fornito dalla geometria stessa della trappola al plasma, che permette di eliminare gli effetti parassiti e le fughe insite nella "ciambella". Anche la versione pompata al laser ha i suoi vantaggi.

L'idrogeno in essi contenuto viene riscaldato alla temperatura richiesta da impulsi laser e la reazione di fusione inizia quasi istantaneamente. Il plasma in tali installazioni è trattenuto dall'inerzia e non ha il tempo di disperdersi: tutto accade così rapidamente.

Il mondo intero

Tutti i reattori termonucleari esistenti oggi nel mondo sono macchine sperimentali. Nessuno di questi viene utilizzato per generare elettricità. Nessuno è ancora riuscito a soddisfare il criterio principale per una reazione termonucleare (criterio di Lawson): ottenere più energia di quella spesa per creare la reazione. Pertanto, la comunità mondiale si è concentrata sul gigantesco progetto ITER. Se il criterio di Lawson sarà soddisfatto a ITER, sarà possibile perfezionare la tecnologia e provare a trasferirla su rotaie commerciali.

Nessun paese al mondo potrebbe costruire ITER da solo. Ha bisogno di soli 100mila km di fili superconduttori, e anche decine di magneti superconduttori e un gigantesco solenoide centrale per trattenere il plasma, un sistema per creare un alto vuoto in un anello, raffreddatori ad elio per magneti, controller, elettronica… progetto sta costruendo 35 paesi e più contemporaneamente migliaia di istituti scientifici e fabbriche.

ITER
ITER

La Russia è uno dei principali paesi partecipanti al progetto; in Russia sono in fase di progettazione e realizzazione 25 impianti tecnologici del futuro reattore. Si tratta di superconduttori, sistemi per la misurazione dei parametri del plasma, controllori automatici e componenti del divertore, la parte più calda della parete interna del tokamak.

Dopo il lancio di ITER, gli scienziati russi avranno accesso a tutti i suoi dati sperimentali. Tuttavia, l'eco di ITER non si farà sentire solo nella scienza: ora in alcune regioni sono comparsi impianti di produzione, che in Russia prima non esistevano. Ad esempio, prima dell'inizio del progetto, nel nostro Paese non esisteva una produzione industriale di materiali superconduttori e in tutto il mondo ne venivano prodotte solo 15 tonnellate all'anno. Ora, solo nello stabilimento meccanico di Chepetsk della società statale "Rosatom" è possibile produrre 60 tonnellate all'anno.

Il futuro dell'energia e non solo

Il primo plasma a ITER dovrebbe essere ricevuto nel 2025. Il mondo intero sta aspettando questo evento. Ma una macchina, anche la più potente, non è tutto. In tutto il mondo e in Russia, continuano a costruire nuovi reattori termonucleari, che aiuteranno a capire finalmente il comportamento del plasma e a trovare il modo migliore per usarlo.

Già alla fine del 2020, l'Istituto Kurchatov lancerà un nuovo tokamak T-15MD, che entrerà a far parte di un'installazione ibrida con elementi nucleari e termonucleari. I neutroni, che si formano nella zona di reazione termonucleare, nell'installazione ibrida verranno utilizzati per avviare la fissione di nuclei pesanti: uranio e torio. In futuro, tali macchine ibride potranno essere utilizzate per produrre combustibile per reattori nucleari convenzionali, sia termici che veloci.

Salvezza del torio

Particolarmente allettante è la prospettiva di utilizzare un "nucleo" termonucleare come fonte di neutroni per avviare il decadimento nei nuclei di torio. C'è più torio sul pianeta che uranio e il suo uso come combustibile nucleare risolve contemporaneamente diversi problemi dell'energia nucleare moderna.

Pertanto, i prodotti di decadimento del torio non possono essere utilizzati per produrre materiali radioattivi militari. La possibilità di tale uso funge da fattore politico che impedisce ai piccoli paesi di sviluppare la propria energia nucleare. Il carburante al torio risolve questo problema una volta per tutte.

Le trappole al plasma possono essere utili non solo nell'energia, ma anche in altre industrie pacifiche, persino nello spazio. Ora Rosatom e l'Istituto Kurchatov stanno lavorando su componenti per un motore a razzo al plasma senza elettrodi per veicoli spaziali e sistemi per la modifica dei materiali al plasma. La partecipazione della Russia al progetto ITER stimola l'industria, che porta alla creazione di nuove industrie, che stanno già formando la base per nuovi sviluppi russi.

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