Iter, la strada verso l'energia pulita

Nella reazione non si formano sostanze radioattive; i materiali di cui è costituito il reattore possono però diventarlo a causa del bombardamento di neutroni prodotti nella fusione. Una delle sfide tecnologiche del nuovo reattore sarà quindi quella di essere costruito con materiali sicuri sotto il profilo della radioattività. In ogni caso la quantità di materiale radioattivo prodotto sarà minima e la durata della pericolosità non superiore ai 100 anni. Perciò niente difficili problemi di stoccaggio e smaltimento, né rischi di reazione incontrollabile, perché per fermare il processo basta interrompere il rifornimento di deuterio e trizio.

Oggi la fusione è già realizzata in appositi reattori a forma di ciambella, chiamati tokamak, ma la reazione dura solo alcuni minuti e utilizza più energia per innescarsi di quanta non ne produca. Iter dovrà arrivare a produrre un'energia almeno dieci volte superiore a quella necessaria ad accenderlo. Per funzionare più a lungo avrà un volume maggiore dei suoi predecessori: la parte centrale del reattore sarà alta 10 metri e larga 5, contro i 4 per 2,5 m² del più grande tokamak esistente, il Jet, in Gran Bretagna.

Iter dovrebbe essere, dopo anni di sperimentazioni, l'ultima tappa prima dello sfruttamento commerciale. Che comunque non avverrà prima di una cinquantina di anni. Al momento il nodo da risolvere sembra essere la sede del reattore: i due contendenti rimasti dopo una prima selezione sono quello di Cadarache nel sud della Francia e quello giapponese di Rokkasko-Mura.

Ma le sfide tecnologiche da superare restano ancora impegnative. Per creare le condizioni necessarie alla fusione dei nuclei i gas devono essere portati ad almeno cento milioni di gradi, in modo che gli atomi si muovano molto velocemente e si scontrino frequentemente fra loro, formando un plasma. Poiché qualunque materiale fonde ed evapora istantaneamente a queste temperature, il plasma deve essere tenuto a distanza dalle pareti del reattore attraverso campi magnetici molto intensi. Nonostante questo, i materiali di rivestimento interno dovranno resistere a temperature elevatissime (intorno ai 1.000 °C), quindi devono essere appositamente progettati.

Un'altra difficoltà, come abbiamo visto, viene dai neutroni prodotti durante la reazione: questi colpendo le pareti del reattore le danneggiano e le rendono radioattive. I materiali dovranno perciò perdere rapidamente la loro radioattività ed essere adatti ad assorbire l'energia dei neutroni per trasformarla in calore.

Tutto il calore prodotto nella reazione servirà infatti a scaldare dell'acqua che si trasformerà in vapore e farà girare delle turbine per produrre energia elettrica.

Per ottenere questi risultati serviranno una decina d'anni e un intenso impegno economico (si parla di un costo totale di una decina di miliardi di euro). Anche l'Italia sta dando il suo contributo con la sua esperienza nella ricerca sulla fusione nucleare e le tecnologie d'avanguardia nella costruzione di potenti magneti.

Il sito ufficiale del progetto è: www.iter.org

plasma (fisica)

In fisica il plasma è il cosiddetto quarto stato della materia (dopo lo stato solido, quello liquido e quello gassoso). Il plasma si forma quando un gas è scaldato a una temperatura tale che gli atomi si urtano con energia sufficiente da espellere uno o più elettroni, creando così cariche libere negative (gli elettroni) e positive (gli ioni, cioè gli atomi che hanno perso una o più cariche negative). Quando una percentuale significativa di atomi è ionizzata si parla di plasma.

Elettroni e ioni elettricamente si compensano e quindi il plasma è globalmente neutro, ma a causa della presenza di cariche elettriche ha un comportamento ben diverso da un normale gas, in quanto interagisce fortemente e in modo estremamente complicato con campi elettrici e magnetici.

Si stima che più del 99% della materia esistente nell'universo sia nello stato di plasma: tutte le stelle, incluso il nostro Sole, sono costituite di plasma, e anche la materia interstellare e gli strati più esterni delle atmosfere dei pianeti. Il vento solare è un plasma.

Più vicino a noi, materia allo stato di plasma si trova nelle comuni luci al neon.

Irving Langmuir, lo scienziato premio Nobel che è stato uno dei pionieri dello studio dei gas ionizzati, battezzò questo stato della materia. Il significato originale del greco πλασμα può essere tradotto come 'sostanza plasmabile', che si plasma in modo da riempire uno stampo, una sostanza del tipo della gelatina, che riempie lo stampo in cui viene versata. Infatti i plasmi che Langmuir otteneva nelle scariche ad arco di mercurio avevano la caratteristica di diffondere attraverso le pareti dei tubi da vuoto e riempirli completamente, come la gelatina riempie uno stampo.

I plasmi sono impiegati in molti rami della fisica. Un uso tipico è nella produzione di laser, in cui occorre generare una popolazione di atomi in stati fortemente eccitati.

Nella tecnologia dei semiconduttori (produzione di chip ecc) i plasmi assumono un ruolo sempre più rilevante: infatti la lavorazione dei componenti elettronici ad alta precisione (depositare o incidere strati dell'ordine dei micrometri) richiede l'uso di processi chimici estremamente localizzati che possono avvenire utilizzando la presenza di cariche libere presenti nei plasmi parzialmente ionizzati.

Da anni si sta studiando l'uso di plasmi completamente ionizzati a densità e temperature sufficientemente elevate per produrre energia dal processo di fusione termonucleare. Il problema ancora irrisolto è come contenere in modo efficace e mantenere un plasma a tali temperature (parliamo di svariate decine di milioni di gradi!) sufficientemente a lungo per permettere una rilevante produzione di energia dalla formazione di particelle alfa che avviene durante la fusione di atomi di idrogeno. Forti campi magntici sono impegati a questo scopo, ma il quadro è complicato a causa delle forti interazioni di difficile controllo del plasma con i campi elettrici e magnetici.

A cura di Laura Lauro Taroni, del 03.10.2001

Fusione nucleare: tornano gli Stati Uniti

Il più ambizioso progetto mai tentato per ottenere energia dalla fusione nucleare: il progetto ITER. Nel 1985 era partito come una grande collaborazione pacifica, un po' sul modello che poi sarebbe stato seguito per la Stazione Spaziale Internazionale.

USA, Unione Sovietica, Europa e Giappone si impegnarono assieme per sviluppare una macchina che avrebbe dimostrato la fattibilità della fusione nucleare per la produzione di energia. Ma gli Stati Uniti, su pressione del Congresso, si tirarono indietro nel 1999. Però il progetto non si fermò, e gli altri Paesi, con l'aggiunta del Canada, si stanno ora preparando alla costruzione della macchina vera e propria. Forse si aggiungerà anche la Cina.

Difficile pensare ad un progetto tecnologico di questa portata senza la partecipazione degli USA. E proprio questo devono aver pensato al governo americano: oggi il ministro per l'energia, Spencer Abraham, ha annunciato che gli Stati Uniti torneranno a partecipare ad ITER.

Il progetto prevede la costruzione, in un luogo ancora da decidere, di un cosiddetto "tokamak": una macchina nella quale viene impiegato un campo magnetico intensissimo per trattenere gli atomi di idrogeno in modo da far avviare il processo di fusione che porterà alla formazione di elio ed alla liberazione di energia. Lo stesso fenomeno che avviene nel Sole e, in forma incontrollata, nelle bombe a idrogeno.

Non è un lavoro facile. La fusione può essere accesa, questo è ovvio. Ma sfruttarla in una reazione controllata, e produrre più energia di quanta non ne consumi il reattore per il suo funzionamento, sono sfide ancora da affrontare. ITER avrà così un compito solo apparentemente modesto: produrre energia (500 megawatt) per 500 secondi ogni volta che sarà acceso. Sembra un tempo breve, ma in realtà rappresenterebbe un enorme passo in avanti.

Venti anni, questo il tempo calcolato perché si possa terminare questa fase di esperimenti e, forse, avviare qualcosa di veramente produttivo. Un periodo non certo breve, ma per imbrigliare l'energia delle stelle ed ottenere energia pulita praticamente illimitata bisognerà avere pazienza.

A cura di Americo Bonanni, del 30.01.2003