La potenza del reattore può essere raddoppiata (dopo la revisione della legge di base)

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

Il fusione nucleare Implica la fusione di due nuclei atomici in un nucleo, che porta al rilascio di grandi quantità di energia. Questo è il processo che opera all’interno del sole. Così il calore viene dalla fusione dei nuclei di idrogeno in atomi di elio, che sono più pesanti.

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

ITER mira a dimostrare che la fusione – “energia stellare” – può essere utilizzata come fonte di energia su larga scala e priva di CO2 per produrre elettricità. Il suo obiettivo principale è creare un plasma ad alta temperatura che fornisca un ambiente ideale per la fusione per produrre energia. I risultati del programma scientifico ITER saranno cruciali per aprire la strada alle future centrali a fusione.

Come parte del miglioramento continuo di questi reattori, i fisici dell’EPLF hanno rivelato che è possibile utilizzare più idrogeno, in modo abbastanza sicuro, e quindi ottenere più energia di quanto fosse possibile, come si pensava in precedenza. Questa revisione del limite di Greenwald sarà messa in pratica per i test presso il reattore ITER quando sarà operativo. La nuova equazione aggiornata per questo limite è pubblicata nella rivista Lettere di revisione 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 e praticabile. A differenza della fissione nucleare, che produce energia craccando nuclei atomici molto grandi, la fusione nucleare può generare molta più energia, unendo insieme nuclei molto piccoli. Inoltre, il processo di fusione produce meno scorie radioattive (quasi nessuna) rispetto alla fissione, che è ricca di idrogeno. neutroniusato come combustibile, è relativamente facile da ottenere.

Come accennato in precedenza, la reazione nucleare qui è identica alla reazione che avviene all’interno del Sole usando atomi di idrogeno. Tuttavia, sulla Terra, la pressione prevalente nel nucleo della stella non è ripetibile. Questa pressione è necessaria per trasformare l’idrogeno in plasma, il mezzo in cui gli atomi di idrogeno possono fondersi insieme e generare energia. Pertanto, è necessario aumentare la temperatura dei gas 10 volte superiore alla temperatura del sole, ovvero circa 150 milioni di gradi Celsius.

Di conseguenza, nel nucleo del tokamak, costituito da una camera a vuoto a forma di anello, sotto l’influenza di temperature e pressioni estreme, il gas idrogeno si trasforma in plasma. Nel recinto, l’energia dalla fusione dei nuclei atomici viene assorbita sotto forma di calore dalle pareti della camera a vuoto. Campi magnetici estremamente forti sono usati per confinare e controllare il plasma.

Molti progetti di energia da fusione sono ora all’altezza stadio avanzato. Tuttavia, ITER non è stato progettato, principalmente, per produrre elettricità, ma per testare i limiti di produzione e determinare le condizioni esatte per lo svolgimento di queste reazioni di fusione. Tuttavia, i tokamak basati su ITER, chiamati reattori DEMO, sono in fase di progettazione e potrebbero essere operativi entro il 2050 per generare elettricità.

Paolo Ricci, dello Swiss Plasma Center (EPFL), spiega in a comunicazione : ” Per produrre plasma di fusione, devono essere considerati tre elementi: alta temperatura, alta densità di idrogeno e buon confinamento. Ecco perché uno dei limiti alla produzione di plasma in un tokamak è la quantità di idrogeno che vi può essere iniettata, infatti più è alta la densità, più è difficile mantenere la stabilità del plasma.

Più precisamente, più carburante viene iniettato alla stessa temperatura, maggiore è la temperatura di alcune parti del plasma e più è difficile che la corrente fluisca in queste ultime, causando turbolenza. Paolo Ricci spiega in parole povere: Perdiamo completamente il contenimento e il plasma non va da nessuna parte. Negli anni ’80, abbiamo cercato di trovare una sorta di legge che ci permettesse di prevedere la densità massima di idrogeno che potevamo iniettare in un tokamak. È stato scoperto nel 1988 dal fisico Martin Greenwald e ha stabilito 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 all’interno Tokamak. , gli esperimenti con queste macchine hanno confermato questo Il “Limite di Greenwald”, che è al centro della strategia di creazione di ITER.

Storia del plasma

Gli scienziati sospettano da tempo che il limite di Greenwald possa essere migliorato. Per verificare la loro ipotesi, in collaborazione con squadre di altri tokamak, lo Swiss Plasma Center ha progettato e condotto un esperimento rivoluzionario, che ha permesso di utilizzare una tecnologia altamente avanzata con l’obiettivo di controllare con precisione la quantità di carburante iniettato nel tokamak. Sono state condotte massicce prove presso i più grandi tokamak del mondo, il Joint European Ring (JET) nel Regno Unito, l’aggiornamento ASDEX in Germania (Max Planck Institute) e il tokamak TCV nell’EPFL.

Allo stesso tempo, Maurizio Giacomen, dottorando del team di Paolo Ricci, ha iniziato ad analizzare i processi fisici che limitano la densità nei tokamak, al fine di stabilire una legge fondamentale che consenta di collegare la densità del carburante e il volume del tokamak. Parte di questo lavoro ha comportato l’uso di simulazioni al plasma avanzate utilizzando un modello al computer.

La chiave è stata la scoperta che i plasmi potrebbero supportare una maggiore densità di combustibile aumentando la produzione di energia di una reazione di fusione. In altre parole, un tokamak come ITER può effettivamente utilizzare quasi il doppio del carburante per produrre plasma, senza timore di interruzioni. Paolo Ricci ha detto: Questo risultato è importante perché mostra che la densità ottenibile di un tokamak aumenta con l’energia necessaria per azionarlo. DEMO funzionerà a una potenza molto più elevata rispetto agli attuali tokamak e ITER, il che significa che è possibile aggiungere una maggiore densità di carburante senza ridurre la produzione, contrariamente a quanto previsto dalla legge di Greenwald. Questa è un’ottima notizia “.

fonte : Lettere di revisione fisica