Come in Cielo così in Terra: il sogno di avvicinarsi alla volta celeste muove da sempre filosofi, teologi e scienziati. Un esempio è la Meccanica di Newton, che ha unificato Cielo e Terra affermando che le leggi della dinamica sono le stesse. Oggi abbiamo un sogno non meno ambizioso: produrre energia elettrica usando le stesse reazioni nucleari che permettono al Sole e a tutte le stelle di brillare in cielo. Costruire insomma una piccola Stella sulla Terra!
Le stelle brillano perché trasformano quattro nuclei di idrogeno, composti da un solo protone, in un nucleo di elio, composto da due protoni e due neutroni. Dato che protoni e neutroni hanno circa la stessa massa, mettendo i nuclei su una bilancia ci aspetteremmo che quello di elio pesi all’incirca come i quattro protoni di partenza. Scopriremmo invece che l’elio pesa meno. La massa apparentemente scomparsa si è trasformata in energia, secondo la famosa relazione di Einstein ΔE = Δm c2, in cui Δm è la quantità di massa mancante, ΔE è la quantità di energia prodotta e c è la velocità della luce nel vuoto. Dato il valore elevato di quest’ultima (300.000 Km/s), bruciando anche una piccola massa si produce un grandissimo quantitativo di energia.
Vista dall’alto del tokamak FTU, operativo dal 1989 presso i Laboratori Nazionali di Frascati (da www.fusione.enea.it).
Il quarto stato della materia
In una stella le reazioni termonucleari appena descritte vengono innescate dalla forza di gravità: la stella comincia a comprimersi sotto al proprio peso, fin quando la pressione nel nucleo è così grande da portare il nocciolo a superare i 15 milioni di gradi. Normalmente la materia che ci circonda è elettricamente neutra, perché nei nuclei degli atomi sono contenuti protoni carichi positivamente, circondati da un ugual numero di elettroni. A temperature molto elevate, come quelle che si raggiungono nel cuore delle stelle, gli elettroni hanno un’energia tale che l’attrazione dei nuclei non è sufficiente a tenerli legati: in tale situazione è come se coesistessero due gas, uno composto dai nuclei positivi, che nel caso delle stelle sono principalmente di idrogeno e quindi protoni singoli, e l’altro composto da elettroni. Questo stato della materia è considerato il quarto dopo quelli comuni cui siamo abituati (gassoso, liquido e solido) ed è chiamato plasma.
Normalmente due ioni positivi, nel nostro caso due protoni, si respingono per via dell’uguale carica elettrica. Per permettere una reazione fra loro bisogna farli urtare così violentemente da superare la repulsione elettrostatica, è necessario quindi che la temperatura e la densità del plasma siano mantenute abbastanza elevate: la prima per far sì che l’energia cinetica media dei protoni sia elevata e la seconda affinché ci sia un numero di reazioni per unità di tempo abbastanza grande da avere un guadagno di energia. Sulla Terra non si possono raggiungere le densità dei nuclei interni delle stelle e per compensare è necessario raggiungere temperature ancora più elevate di quelle che raggiunge il plasma stellare: circa 100 milioni di gradi! Se un gas così caldo sfiorasse un qualunque recipiente lo fonderebbe, raffreddandosi. Per questo motivo il problema principale della progettazione e costruzione di un reattore a fusione è il confinamento del plasma.
La sala del reattore FTU: il toroide che contiene il plasma è all’interno del criostato visibile sulla destra (foto di Silvia Mancini: www.diaporama.it).
Tokamak, calde ciambelle al plasma
Uno dei modi con cui si può risolvere il problema è utilizzare campi magnetici. Una particella carica in moto all’interno di un campo magnetico subisce una forza che la costringe su una traiettoria curva. Visto che il plasma è costituito da un gas di protoni positivi e di elettroni negativi, si possono costruire dei tori (detto in parole povere, delle ciambelle) di campo magnetico in cui intrappolare un plasma in movimento, esattamente come avviene in uno degli esperimenti in cui l’ENEA di Frascati è impegnato: il “Frascati Tokamak Upgrade” (FTU).
Ne parliamo con Giuseppe Mazzitelli, responsabile del Laboratorio – Gestione Grandi Impianti Sperimentali dell’ “Unità Tecnica Fusione” di Frascati, che di FTU è direttore dal 1999. Macchine di questo tipo si chiamano tokamak, acronimo russo che deriva dalle iniziali delle parole della frase camera toroidale con bobine magnetiche. La tecnologia dei tokamak è quella più promettente per realizzare una fusione nucleare controllata e stabile, ed è una delle più studiate da quando i ricercatori russi stupirono il mondo annunciando durante una conferenza svoltasi a Novosibirsk nel ’68 di aver raggiunto la ragguardevole temperatura di 10 milioni di gradi.
Mazzitelli ci accoglie nella sala controllo del tokamak, all’interno dei laboratori dell’ENEA di via Enrico Fermi a Frascati. Davanti a un modellino dell’esperimento ci spiega che in realtà un futuro reattore non funzionerà con l’idrogeno, ma con due suoi isotopi (un isotopo di un elemento è un atomo con lo stesso numero di protoni, ma con un diverso numero di neutroni): il deuterio e il trizio. Il deuterio e il trizio allo stato gassoso sono iniettati all’interno della ciambella e successivamente ionizzati e per dar luogo al plasma. Una volta raggiunto lo stato di plasma diventa fondamentale il campo magnetico che lo confina. Su FTU il campo è generato con delle bobine di rame tenute a -196 °C e raggiunge un’intensità di 8 Tesla: per dare un’idea il campo magnetico della Terra è inferiore a un millesimo di Tesla. Quando si innescano le reazioni di fusione fra trizio e deuterio vengono liberati molti neutroni con grande energia, che, essendo neutri, non risentono del campo magnetico, che sono fermati in una zona chiamata mantello dove interagendo con il litio danno luogo alla produzione del trizio e contemporaneamente ne provocano un innalzamento della temperatura. L’energia è estratta dal tokamak proprio raffreddando questo mantello. Sul JET (il tokamak europeo in funzione in Inghilterra ) in un esperimento deuterio-trizio con una potenza in ingresso di circa 20 MW ne sono stati prodotti circa 16MW dalle reazioni di fusione.
Giuseppe Mazzitelli, direttore di FTU, ci spiega il funzionamento del reattore di fronte a una foto dell’interno del toroide (foto di Silvia Mancini: www.diaporama.it).
Le centrali nucleari del futuro
Il primo tokamak in grado di produrre più energia di quella che consuma per funzionare è però già stato progettato: si chiama ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, in costruzione Provenza e dovrebbe produrre 10 volte l’energia che consuma. Sarà costruito con l’esperienza fatta sui tokamak oggi esistenti dai paesi dell’Unione Europea più la Svizzera insieme con Giappone, Cina, Russia, Stati Uniti, India e Corea del Sud.
ITER ha come obiettivo principale quello di dimostrare che questo tipo di centrali è commercialmente realizzabile. Non sappiamo quanto ci vorrà, ma siamo abbastanza sicuri che questo sarà uno dei modi con cui verrà prodotta energia in grande quantità in futuro. Il nucleare a fusione potrà infatti produrre grandi quantità di energia in modo continuo come le centrali nucleari a fissione già oggi esistenti, pur essendo pulito e sicuro. Pulito perché, anche se si tratta di energia ottenuta grazie a una reazione nucleare, non produce scorie radioattive: il risultato del processo è l’elio, quello che si usa per gonfiare i palloncini. Al contrario le centrali nucleari di qualsivoglia generazione funzionano spaccando atomi di uranio, che decade in stati instabili anch’essi radioattivi. Sicuro perché per i tokamak non ci sono nemmeno rischi legati alla sicurezza, un’eventuale centrale nucleare a fusione non potrà mai trasformarsi in una nuova Chernobyl: anche se se ne perdesse il controllo, è sufficiente spegnere il campo magnetico che il plasma non è più confinato e le reazioni nucleari si interrompono immediatamente. Non si deve poi dimenticare che l’uranio, come il petrolio, è disponibile sulla terra in quantità limitate, mentre il deuterio può essere estratto dall’acqua: da cinquecento litri di acqua si estrae abbastanza deuterio per coprire il consumo di energia elettrica di un cittadino europeo per tutta la sua vita!
Tokamak, calde ciambelle al plasma
ITER ha come obiettivo principale quello di dimostrare che questo tipo di centrali è commercialmente realizzabile. Non sappiamo quanto ci vorrà ma siamo abbastanza sicuri che questo sarà uno dei modi con cui verrà prodotta energia in grande quantità in futuro. Il nucleare a fusione potrà infatti produrre grandi quantità di energia in modo continuo come le centrali nucleari a fissione già oggi esistenti, pur essendo pulito e sicuro. Pulita perché, anche se si tratta di energia ottenuta grazie a una reazione nucleare, non produce scorie radioattive: il risultato del processo è l’elio, quello che si usa per gonfiare i palloncini, e non il plutonio o altre scorie come nel caso delle centrali nucleari già esistenti. Infatti le centrali nucleari di qualsivoglia generazione, comprese quelle della ancora fantascientifica quarta generazione, funzionano spaccando atomi di uranio, il quale decade in stati instabili molti dei quali decadono in plutonio, anch’esso radioattivo.
Per i tokamak non ci sono nemmeno rischi legati alla sicurezza, perché un’eventuale centrale nucleare a fusione non potrà mai trasformarsi in una nuova Chernobyl: anche se se ne perdesse il controllo, la quantità di plasma che si trova al suo interno è sufficiente appena per fondere parte del rivestimento interno della ciambella di contenimento.
Inoltre l’uranio, come il petrolio, è disponibile sulla terra in quantità limitate mentre l’idrogeno può essere estratto dall’acqua, che è costituita da una parte di ossigeno e due di idrogeno (H2O).
Snapshot dal video del reattore in funzione.
Il futuro è a Frascati
Dopo che Mazzitelli ci ha parlato di ITER ci è venuto spontaneo chiedergli quale sarà il futuro del tokamak di Frascati. A quel punto gli si sono illuminati gli occhi e ci ha detto che ha proposto la costruzione di un nuovo tokamak, FAST, che dovrebbe essere pronto per il 2013, con il quale verrà studiato un nuovo rivestimento interno in litio liquido. Il vantaggio è che un liquido, anche se sottoposto ad uno stress grande, è in grado di ritornare nella posizione di equilibrio nel momento in cui la forza che lo deforma cessa. Inoltre il nuovo rivestimento dovrebbe migliorare l’efficienza di estrazione del calore dai neutroni che la reazione produce. Insomma per usare le parole di Mazzitelli: il futuro è qui a Frascati!
