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la potenza dei reattori potrebbe essere raddoppiata (previa revisione di una legge fondamentale)

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La fusione nucleare è una delle fonti energetiche più promettenti di domani, soprattutto nel contesto della crisi climatica. I fisici dell’EPFL (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne), nell’ambito di un’ampia collaborazione europea, hanno recentemente rivisto una delle leggi fondamentali della fusione nucleare, il “limite di Greenwald”. Per tre decenni, questa legge è stata alla base della ricerca sul plasma e sulla fusione, coinvolgendo anche la progettazione di megaprogetti come l’ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Il team di fisici ha scoperto che era possibile raddoppiare la quantità di idrogeno iniettata in un reattore termonucleare per produrre il doppio dell’energia. Questa scoperta ridisegna così i confini della fusione, mentre alcuni esperti ritengono che: i primi reattori per uso industriale non sarà redditizio fino al 2040-2050.

Il fusione nucleare comporta la combinazione di due nuclei atomici in uno, rilasciando quantità significative di energia. È questo processo che è all’opera sotto il sole. Quindi il calore proviene dalla fusione dei nuclei di idrogeno in atomi di elio, che sono più pesanti.

In Francia, nel dipartimento Bouches-du-Rhône, 35 paesi sono coinvolti nella costruzione del più grande tokamak mai progettato, nell’ambito del progetto ITER. Il tokamak è una macchina sperimentale progettata per sfruttare l’energia della fusione. Nell’alloggiamento di un tokamak, l’energia generata dalla fusione dei nuclei atomici viene assorbita sotto forma di calore dalle pareti della camera a vuoto. Come le centrali elettriche convenzionali, una centrale a fusione utilizzerà questo calore per produrre vapore e quindi, attraverso turbine e generatori, elettricità.

ITER mira a dimostrare che la fusione – “l’energia delle stelle” – può essere utilizzata come fonte di energia su larga scala e priva di CO2 per produrre elettricità. L’obiettivo principale è creare un plasma ad alta temperatura che fornisca l’ambiente ideale per la fusione e la produzione di energia. I risultati del programma scientifico ITER saranno decisivi per aprire la strada alle centrali di domani.

Nell’ambito del continuo miglioramento di questi reattori, i fisici dell’EPLF rivelano che è possibile utilizzare in sicurezza una maggiore quantità di idrogeno e ottenere così più energia di quanto si pensasse in precedenza. Questa revisione del limite di Greenwald sarà messa in pratica per i test nel reattore ITER quando sarà in funzione. La nuova equazione, che aggiorna questo limite, è stata pubblicata sulla rivista Lettere di valutazione fisica

Una nuova frontiera per i tokamak, futuri produttori di energia pulita

Gli scienziati hanno lavorato per più di 50 anni per ottenere una fusione controllata praticabile. A differenza della fissione nucleare, che produce energia rompendo nuclei atomici molto grandi, la fusione nucleare potrebbe generare molta più energia unendo nuclei molto piccoli. Inoltre, il processo di fusione crea molti meno rifiuti radioattivi (quasi nulli) rispetto alla fissione e ricchi di idrogeno neutroniusato come combustibile è relativamente facile da ottenere.

Come accennato, la reazione nucleare qui è identica a quella del sole, utilizzando atomi di idrogeno. Sulla Terra, invece, la pressione al centro di una stella non è riproducibile. Questa pressione è necessaria per convertire l’idrogeno in plasma, il mezzo in cui gli atomi di idrogeno possono fondersi e generare energia. Occorre quindi portare i gas ad una temperatura 10 volte superiore a quella del sole, ovvero circa 150 milioni di gradi Celsius.

Di conseguenza, l’idrogeno gassoso nel cuore di un tokamak, formato da una camera a vuoto anulare, si trasforma in plasma sotto l’influenza di temperature e pressioni estreme. All’interno dell’alloggiamento, l’energia generata dalla fusione dei nuclei atomici viene assorbita sotto forma di calore dalle pareti della camera a vuoto. Campi magnetici molto forti sono usati per intrappolare e controllare il plasma.

Sezione semplificata del reattore con camera a vuoto anulare. © IL NOSTRO ITER

Diversi progetti di energia da fusione sono ora in corso a stadio avanzato† Tuttavia, ITER essenzialmente non ha lo scopo di produrre elettricità, ma di testare i limiti di produzione e determinare le condizioni esatte per condurre tali reazioni di fusione. Tuttavia, i tokamak basati su ITER, chiamati reattori DEMO, sono in fase di progettazione e potrebbero funzionare per generare elettricità entro il 2050.

Paolo Ricci, dello Swiss Plasma Center (EPFL), spiega in a comunicatoPer produrre un plasma per la fusione, devono essere presi in considerazione tre elementi: alta temperatura, alta densità di idrogeno e buon confinamento. Pertanto, uno dei limiti della produzione di plasma in un tokamak è la quantità di idrogeno che può essere iniettato al suo interno, infatti, maggiore è la densità, più difficile è mantenere stabile il plasma ottenuto.

Più precisamente, più carburante viene iniettato alla stessa temperatura, più alcune parti del plasma si raffreddano e più è difficile che la corrente fluisca in esse, causando disturbi. Paolo Ricci spiega in parole povere: “ Stiamo perdendo completamente il contenimento e il plasma sta andando ovunque. Negli anni ’80, abbiamo cercato di trovare una sorta di legge che ci permettesse di prevedere la densità massima di idrogeno che possiamo iniettare in un tokamak. Scoperto nel 1988 dal fisico Martin Greenwald, stabilisce una relazione tra la densità del carburante, il piccolo raggio del tokamak (il raggio del cerchio interno dell’anello) e la corrente circolante nel plasma, finora gli esperimenti condotti con queste macchine hanno confermato questo “limite di Greenwald”, che è al centro della strategia costruttiva di ITER.

Storia del plasma

Gli scienziati sospettano da tempo che il limite di Greenwald possa essere migliorato. Per verificare la loro ipotesi, il centro svizzero del plasma, in collaborazione con squadre di altri tokamak, ha progettato e condotto un esperimento rivoluzionario, che ha permesso di utilizzare una tecnologia altamente avanzata con l’obiettivo di misurare con precisione la quantità di carburante iniettata in un tokamak. per. Enormi esperimenti sono stati condotti nei più grandi tokamak del mondo, il Joint European Torus (JET) nel Regno Unito, l’ASDEX Upgrade in Germania (Max Planck Institute) e il tokamak TCV presso l’EPFL.

Allo stesso tempo, Maurizio Giacomin, dottorando nel team di Paolo Ricci, ha iniziato ad analizzare i processi fisici che limitano la densità nei tokamak, per stabilire una legge fondamentale che consenta la correlazione tra densità del carburante e dimensione del tokamak. Parte di questo lavoro ha comportato l’uso di una simulazione al plasma avanzata eseguita utilizzando un modello al computer.

La chiave è stata la scoperta che un plasma può supportare una maggiore densità di carburante all’aumentare della potenza di una reazione di fusione. In altre parole, i tokamak come ITER possono utilizzare efficacemente quasi il doppio del carburante per produrre plasmi, senza timore di interruzioni. Paolo Ricci dice: Questo risultato è importante perché mostra che la densità ottenibile in un tokamak aumenta con la potenza necessaria per azionarlo. DEMO funzionerà a una potenza significativamente maggiore rispetto agli attuali tokamak e ITER, il che significa che è possibile aggiungere una maggiore densità di carburante senza limitare la produzione, contrariamente all’intento della legge di Greenwald. E questa è un’ottima notizia

Fonte : Lettere di valutazione fisica

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