Safe, clean, limitless energy!!!

Cari ragazzi vi presento ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, uno tra i progetti più ambiziosi che l'uomo abbia mai concepito. Così ambizioso da voler riprodurre sulla Terra le reazioni nucleari che avvengono nel cuore del Sole, ma le cui difficoltà di realizzazione sembrano, al momento, quasi insormontabili. Per questo, i critici del progetto puntano il dito sui costi enormi e sugli scarsi risultati ottenuti fino ad ora... Vediamo di farci un'idea anche noi.
Siamo nel 1985, Reagan, presidente degli Stati Uniti, e Gorbaciov, presidente dell'Unione Sovietica, firmano a Ginevra un documento sul disarmo nucleare nel quale, in realtà, non c'è nessun impegno preciso da parte dei due paesi all'interruzione vera e propria della corsa agli armamenti. In calce al documento, però, i capi dei due stati più potenti del mondo inseriscono un vago impegno a sviluppare una nuova fonte di energia "per il bene dell'umanità". Da questa frase, scritta quasi per caso, è nato ITER, un progetto che dovrebbe risolvere una volta per tutte la crisi energetica.
Sono sette i partener del progetto: Unione Europea, Stati Uniti, Giappone, Russia, Cina, India, Corea del Sud. Il progetto porterà alla costruzione di un reattore sperimentale termonucleare nel sud della Francia. I lavori sono iniziati nel gennaio 2007, i costi sono enormi, la stima è di 20 miliardi di dollari e le difficoltà ingenieristiche e tecnologiche rallentano notevolmente il cammino verso la costruzione di ITER. Tra tanti ostacoli, il progetto comunque prosegue e i primi esperimenti per produrre energia come fa il Sole sono previsti per il 2026. Ora dobbiamo capire perché è così difficile, ma al tempo stesso così allettante, cercare di copiare il Sole.

La fusione nucleare è il processo che si verifica nel cuore delle stelle, fornendo energia a tutto l'Universo. Con il progetto ITER,
l'uomo vuole dimostrare che è possibile riprodurre e controllare questa reazione sul nostro pianeta, ottenendo, così, una fonte inesauribile di energia.
A destra, la gabbia tokamak, dove viene confinato il plasma caldissimo. (Immagini riprese dal sito del progetto ITER).

Cosa dovrebbe succedere dentro questo reattore termonucleare? Dovrebbero verificarsi reazioni di fusione nucleare, proprio quelle che avvengono nel cuore delle stelle. La fusione nucleare è una reazione in cui la massa si trasforma in energia secondo la famosissima formula di Einstein: E = mc2, dove E sta per energia, m per massa e c è la velocità della luce (circa 300000 km/s). Dato che la velocità della luce è molto elevata, da una massa anche molto piccola si può ricavare una quantità di energia considerevole. Nella reazione di fusione, nuclei leggeri come l'idrogeno (o i suoi isotopi deuterio e trizio) collidono e si fondono, producendo elio. La massa del nucleo di elio è leggermente inferiore a quella iniziale dei due atomi di idrogeno della collisione. La differenza di massa in questa reazione si trasforma in energia. Anche nelle centrali nucleari l'energia viene prodotta da una reazione nucleare, ma in quel caso si tratta di fissione: nuclei pesanti di uranio si scindono in nuclei più leggeri e una piccola frazione della massa dell'uranio si trasforma in energia, sempre secondo la famosa equivalenza tra massa e energia di Einstein. Ma nella fissione i prodotti di scarto sono radioattivi e l'energia prodotta è minore di quella prodotta dalla fusione. La fusione utilizzerebbe come combustibile l'idrogeno, l'elemento più abbondante dell'Universo, non produrrebbe scorie radioattive, l'energia prodotta sarebbe in quantità enormi e ampiamente disponibile, la dipendenza dai combustibili fossili sarebbe drasticamente ridotta, il mondo verrebbe rivoluzionato!!!

Suddivisione dei costi, 20 miliardi di dollari, tra i sette paesi membri del progetto ITER.
I colori evidenziano i pezzi costruiti dai vari paesi membri del consorzio.
Le singole parti, costruite nei vari paesi, verranno assemblate nel reattore in Francia. La precisione deve essere altissima e lo sforzo è enorme.
Immagine ripresa da Brumfiel, 2012.

La sfida del progetto è proprio quella di far avvenire la reazione di fusione, controllarla e ricavarne molta più energia di quanta se ne consumi per produrla. Per far fondere nuclei di deuterio e trizio, gli isotopi dell'idrogeno, bisogna scaldarli a temperature così elevate (150000000°C, dieci volte la temperatura del nucleo solare!!!) da costringerli a muoversi velocissimi, avvicinarsi, vincendo la forza di repulsione delle cariche positive dei protoni nucleari e farli collidere. Per far questo i nuclei vengono scaldati all'interno di una gabbia magnetica, prodotta dal cosiddetto tokamak, una ciambella di metallo intorno alla quale sono avvolte le spire di una bobina, che genera campi magnetici. Questi campi magnetici racchiudono deuterio e trizio, allo stato di plasma, cioè nuclei senza elettroni, in uno spazio confinato. Qui avviene la reazione di fusione tra deuterio e trizio. La reazione produce: 1) un nucleo di elio, carico elettricamente, che viene confinato dai campi magnetici, 2) energia in grande quantità e 3) un neutrone. I neutroni prodotti non sono carichi, quindi non risentono del campo magnetico e dovrebbero essere assorbiti dalle pareti del tokamak, che verrebbero così riscaldate. Anche da questo processo si ricaverà energia. Tuttavia, la realizzazione del tokamak si è rivelata incredibilmente complessa dal punto di vista tecnologico. Basti pensare che la copertura di un ipotetico reattore termonucleare del futuro dovrebbe essere fatta di un materiale capace di resistere ad anni di bombardamento da parte del plasma caldissimo. Questo materiale sembrerebbe non esistere al momento. I campi magnetici devono essere molto intensi per poter riuscire a confinare con sicurezza il plasma. Questo vuol dire che è necessaria più potenza per produrli e cioè più energia, ma in questo modo il guadagno netto di energia diminuirebbe in maniera significativa.
Gli scienziati e gli ingegneri che ci lavorano stanno studiando soluzioni all'avanguardia dal punto di vista tecnologico, ma la strada da fare sembra ancora molto, molto lunga. La fusione non produce emissioni di CO2, è praticamente una fonte energetica illimitata, non ha impatto ambientale... Ma è molto difficile da realizzare. Alcuni esperti sostengono che, considerate le prospettive energetiche del nostro pianeta, la fusione "...funzionerà perché non potrà fare a meno di funzionare"...

Referenze
Geoff Brumfiel (2012) I pezzi mancanti della fusione. Le Scienze, 528: 38-43.
Il sito di ITER.

Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)