Fusione calda: un nuovo passo verso le future centrali elettriche

[jumpjack]

http://www.trbimg.com/img-52fbf7bc/turbine/la-sci-sn-nuclear-fusion-lasers-energy-2014021-001/600
Mi sono dovuto leggere una decina di articoli diversi, tutti in inglese perchè in Italia nessun giornalista è in grado di capire l'argomento, ma alla fine sono riuscito a ottenere i dati numerici invece che nello strano sistema di misura del "mezzo capello umano", degli esperimenti di fusione calda avvenuti "con successo" tra novembre 2013 e oggi.

Ho cercato di scrivere la notizia in forma divulgativa ma non troppo.

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Le centrali nucleari attuali funzionano utilizzando la tecnologia della fissione (=divisione), con la quale atomi di uranio radioattivo vengono spezzati, liberando grandi quantità di energia e radiazioni.

Le centrali nucleari del futuro potrebbero invece funzionare a fusione (=unione), cioè unendo insieme due atomi di Deuterio e Trizio per formare un nuovo atomo: anche in questo caso vengono prodotte grandi quantità di energia; ma avvicinare due atomi abbastanza da farli fondere richiede un’energia altissima, molto più alta di quella necessaria a spezzare un grosso, pesante e fragile atomo di uranio, per questo è difficilissimo riuscire a realizzare una centrale a fusione; che per di più produrrebbe talmente tanto calore che nessun materiale su questa Terra sarebbe in grado di contenere il materiale di fusione. Per questo motivo si usano metodi di confinamento elettromagnetico, con cui il combustibile nucleare viene tenuto sospeso in aria, senza toccare nessun materiale, tramite forti campi elettromagnetici.

Nei più recenti esperimenti il combustibile – una sferetta 170 milionesimi di grammo (170 microgrammi - 0,170 nanogrammi) di miscela deuterio-trizio, larga 70 micron - è stato irradiato, tramite 192 raggi laser, per circa un decimiliardesimo di secondo (circa 1e-10 secondi), col risultato che sono stati forniti al combustibile circa 1,8 milioni di Joule di energia; il combustibile ha reagito emettendo 14400 Joule (4 Wh), contro i 10200-12000 (2,8-3,0 Wh) che conteneva, evidenziando quindi una produzione, da parte del sistema, di circa 2000 Joule in più (0,5 Wh) di quelli contenuti neo combustibile; successivamente i risultati sono stati ancora migliori, con 8500-9400 Joule (2,4-2,6 Wh) di energia contenuta a fronte di 17300 Joule (4,8 Wh) emessi, con uno sbilancio di quasi 8000 Joule (2,2 Wh).

Anche se gli 8000 Joule (2,2 Wh) sono una frazione irrisoria degli 1.800.000 Joule (500 Wh) immessi nel sistema (0,4%), il risultato è importante perché la reazione di fusione si è innescata, il contenitore non si è fuso, e una parte dell’energia immessa è stata restituita dal sistema; l’obiettivo però è di ottenere dal sistema più energia di quanta ne riceve, cioè occorre superare il rapporto energia emessa/immessa deve risultare superiore al 100%, altrimenti non si tratta di un mezzo per produrre energia ma di un mezzo per consumarla in modo esotico!

E' interessante notare che il fatto che 170 microgrammi di combustibile contengano circa 3 Wh di energia significa una densità di energia pari a 17647 Wh/kg; le attuali migliori batterie (al litio) hanno una densità di 250 Wh/kg.

Sarebbe interessante trovare la pubblicazione coi dati originali, io ho trovato solo queste fonti indirette:

http://www.cbc.ca/news/technology/nuclear-fusion-hits-energy-milestone-1.2534140
http://www.nbcnews.com/science/science-news/laser-fusion-project-takes-one-small-step-toward-energy-leap-n27796
http://www.latimes.com/science/la-sci-nuclear-fusion-20140213,0,5629190.story#axzz2tIW8UTAo


Edit:
Ah, ecco l'articolo originale su Nature:
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13008.html

[jumpjack]

Aggiungo:

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/images_article/nature13008-f1.jpg
L'esperimento è stato condotto in un contenitore cilindrico chiamato hohlraum, largo 5.75 mm e lungo 9.425 mm rimepito con elio con densità di 1.6 mg cm−3 .
Dentro al cilindro c'è una capsula in plastica di 0.9365 per 0.9303 mm rivestita internamente di "ghiaccio criogenico di deuterio-trizio" a temperature intorno ai 270 gradi sotto zero.

I 192 laser hanno fatto in sostanza implodere il guscio di deuterio-trizio con una velocità di 311 chilometri al secondo, generando una pressione di 300 milioni di atmosfere e facendo avvicinare gli atomi così tanto tra loro e così velocemente da farli fondere tra loro; gli enormi valori di pressione e temperatura raggiunti hanno innescato una reazione a catena che ha coinvolto tutti gli atomi del combustibile

In questa tabella (http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/fig_tab/nature13008_T1.html) vengono mostrati i dati di due esperimenti:
in N131119 i laser erano a 425 TW di potenza (425 mila miliardi di W) e hanno fornito 1.900.000 Joule di energia, in N130927 i laser erano da 390 TW di potenza e hanno fornito 1.800.000 Joule di energia.
EDT,total (kJ) è l'energia contenuta nel deuterio-trizio (penultima riga), EDT,total (kJ) quella prodotta dalla fusione (7ma riga dal basso).

"G" indica il rapporto tra energia da fusione ed energia chimica contenuta nel combustibile, cioè quel "delta di energia" che sta alla base delle future centrali a fusione, e che indica il passaggio dal "mondo chimico" al "mondo nucleare": l'energia chimica è quella che si può ricavare da un combustibile appunto tramite reazioni chimiche, cioè tramite reazioni tra atomi che si legano tramite i loro orbitali elettronici; quando dal mondo chimico si scende al livello subatomico, cioè nel mondo di neutroni e protoni, l'energia diventa pari a E= mc^2; la fusione nucleare permette di effettuare questa transizione dal chimico al nucleare.
Il valore di G è arrivato fino a 2.0 in questi esperimenti, che significa che l'energia emessa dal carburante Deuterio-Trizio è stata il doppio di quella che avrebbe potuto ottenersi tramite una qualunque reazione chimica.


I ricercatori stessi precisano che non c'è "overunity" nella reazione complessiva, visto che l'energia liberata è ben inferiore a quella immessa dai laser:
It should be understood, however, that Gfuel > 1 indicates only that the output fusion energy exceeds the energy deposited into the fuel. This is not the same as exceeding either the energy absorbed by the capsule (defined as the ablator shell plus D–T fuel), which absorbed ~150 kJ for N130927 and N131119, or the energy delivered by the laser to the target (defined as the hohlraum plus capsule), which was 1.8 MJ for N130927 and 1.9 MJ for N131119.

[TriacJr]

Grazie mille dell'interessantissimo "articolo"! :)

[djufuk87]

Interessantissimo, grazie per l'articolo!!! :)

[bancodeipugni]

il fatto è che finchè avranno interesse a continuare a usare il petrolio, non ci sarà alcun sviluppo nella ricerca e sviluppo

anche le macchine avrebbero mezzi e modi per funzionare senza, ma si tira avanti cosi' perché altrimenti chi vive sul petrolio ci rimetterebbe :rolleyes:

[momo-racing]

rimane giusto il problema degli 1,8 milioni di Joule immessi a fronte dei 2000 prodotti :asd: facendo un paragone economico è come costruire disneyland da zero e ottenere gli stessi guadagni che otterresti aprendo un parrucchiere.

In pratica l'esperimento così com'è dice solo che si può fare ma mi sembra che siamo ancora molto molto molto molto lontani da una soluzione sul come fare il che dal mio punto di vista giustifica anche il fatto che media e giornali che non siano "lescienze" non se la siano cagata di striscio come notizia.
In pratica vista così la fissione nucleare verrà abbandonata prima per l'aumentare dei costi dell'uranio che la renderanno economicamente inefficente che non perchè arriverà la fusione a sostituirla.

[san80d]

io spero nella fusione fredda per le centrali nucleari

[Pavlat]

il fatto è che finchè avranno interesse a continuare a usare il petrolio, non ci sarà alcun sviluppo nella ricerca e sviluppo

anche le macchine avrebbero mezzi e modi per funzionare senza, ma si tira avanti cosi' perché altrimenti chi vive sul petrolio ci rimetterebbe :rolleyes:

Non è del tutto vero, i soldi per studiare la fusione ce ne sono a valanghe, e tutto il mondo sta collaborando a riguardo. I veri problemi sono tecnici, uno su tutti i materiali che non reggono alti flussi neutronici.

La fusione si può fare, adesso bisogna riuscire a ingabbiarla in modo da trarne profitto, e passare da un laboratorio a un'industria. A spanne ci vorranno almeno 30-40 anni.

[ChristinaAemiliana]

Toh, vedo solo adesso questo thread. :D

Mi stupisce un po' leggere su Nature un abstract che inizia con "Ignition is needed to make fusion energy a viable alternative energy source, but has yet to be achieved". L'ignizione non è necessaria manco per niente nell'economia della fusione, basterebbe un fattore di moltiplicazione conveniente tra energia immessa ed energia ottenuta dalla reazione, tipo 10-20. Un altro tipico errore è ritenere che il plasma si tenga lontano dalle pareti perché le fonderebbe; in realtà i plasmi da fusione hanno densità bassissime, 6-7 ordini di grandezza inferiori alla densità dell'aria (il che vuol dire 1/1000000 - 1/10000000 volte inferiori ad essa) e bisogna pensarli più che altro come palline velocissime che "bombardano" le pareti, non tanto come fluidi che la lambiscono. Inoltre il danneggiamento della parete, per il plasma, è un problema secondario in quanto la prima parete di un reattore a fusione è fatta di "mattonelle" che si possono cambiare abbastanza agevolmente. Il problema principale è il cosiddetto sputtering, ossia il fatto che il plasma si sporchi con atomi provenienti dalla parete e scalzati dall'impatto con le particelle del plasma. Ad ogni modo, il confinamento magnetico da solo non può tenere il plasma lontano dalle pareti, ci vogliono degli ausili meccanici (limiter, divertore...)

Detto questo, va aggiunto che la fusione di cui si parla nell'articolo non è quella a confinamento magnetico, ma quella cosiddetta inerziale. Essenzialmente sono due concetti diversi di confinamento: il primo cerca di confinare a lungo plasmi a bassa densità, il secondo si accontenta di tempi di confinamento inferiori ma ha bisogno di densità molto maggiori del combustibile, perciò si fannoq ueste compressioni tramite treni d'onda generati da un laser molto potente che vaporizza un ablatore (una sorta di "pallina" con uno strato esterno che, una volta colpito dal laser, comprime il combustibile all'interno).

Non so moltissimo sulla fusione inerziale a parte i concetti di massima, perché mentre io studiavo gli esperimenti al riguardo erano stati fermati in quanto si temevano ricadute belliche per i laser di altissima potenza che sarebbero serviti. All'epoca si puntava tutto sul confinamento magnetico. Comunque, purtroppo è almeno da quando erano studenti i miei stessi professori (quindi facciamo un 40 anni fa! :D ) che si sostiene che in 40-50 anni avremo le centrali a fusione. Io, francamente, le vedo ancora piuttosto lontane, a meno che non succeda qualcosa che obblighi tutto il mondo a svilupparle più in fretta che si può. ;)

[xenom]

Non so moltissimo sulla fusione inerziale a parte i concetti di massima, perché mentre io studiavo gli esperimenti al riguardo erano stati fermati in quanto si temevano ricadute belliche per i laser di altissima potenza che sarebbero serviti. All'epoca si puntava tutto sul confinamento magnetico. Comunque, purtroppo è almeno da quando erano studenti i miei stessi professori (quindi facciamo un 40 anni fa! :D ) che si sostiene che in 40-50 anni avremo le centrali a fusione. Io, francamente, le vedo ancora piuttosto lontane, a meno che non succeda qualcosa che obblighi tutto il mondo a svilupparle più in fretta che si può. ;)

Infatti guarda caso la fusione a confinamento inerziale mediante laser la sta portando avanti praticamente solo gli USA :asd:

non sono ovviamente un esperto ma a me ispira di più il tokamak classico.. sarà perché ITER è un progetto colossale finanziato da diverse nazioni e con solide basi (già sperimentitati JET & co)...

comunque quoto pavlat, non vedremo i primi reattori commerciali prima di 50 anni secondo me...

E non è una questione di lobby petrolifere, ma la fusione calda richiede accorgimenti tecnici incredibilmente complessi e avanzati

[momo-racing]

a meno che non succeda qualcosa che obblighi tutto il mondo a svilupparle più in fretta che si può. ;)

non credo che una guerra su larga scala sia un idea così peregrina vista la situazione attuale: governi in crisi, economie in crisi, sovrappopolazione, i cinesi poi con la politica del figlio unico hanno milioni di soldati maschi che non troveranno mai moglie e che sono carne da macello, se qualcuno la stesse prendendo realmente in considerazione come scappatoia non mi sorprenderebbe.

comunque in prospettiva rispetto ai tempi dei tuoi professori ci sono stati molti passi in avanti in molti ambiti che potrebbero accelerarne la ricerca. Nel campo delle nanotecnologie e dell'ingegneria dei materiali, nel campo della fisica delle particelle, hanno costruito LHC, alla fine se si ha una vaga idea della direzione da prendere poi si riduce sempre puramente una questione di soldi. Col progetto manatthan in 4 anni sono passati dalla teoria dei laboratori a cancellare una città, buttandoci dentro soldi a pioggia sarebbe anche il caso che l'umanità investisse in maniera massiccia e condivisa su un progetto che avrebbe ricadute positive per tutti.

[NEWHERO]

non credo che una guerra su larga scala sia un idea così peregrina vista la situazione attuale: governi in crisi, economie in crisi, sovrappopolazione, i cinesi poi con la politica del figlio unico hanno milioni di soldati maschi che non troveranno mai moglie e che sono carne da macello, se qualcuno la stesse prendendo realmente in considerazione come scappatoia non mi sorprenderebbe.

Per quello non ti preoccupare c'è l'opzione di farli diventare tutti gay :D

[san80d]

non credo che una guerra su larga scala sia un idea così peregrina vista la situazione attuale: governi in crisi, economie in crisi, sovrappopolazione, i cinesi poi con la politica del figlio unico hanno milioni di soldati maschi che non troveranno mai moglie e che sono carne da macello, se qualcuno la stesse prendendo realmente in considerazione come scappatoia non mi sorprenderebbe.

mah no

[brazoayeye]

E non è una questione di lobby petrolifere, ma la fusione calda richiede accorgimenti tecnici incredibilmente complessi e avanzati
TU non consideri quanto dio possa essere corrotto dalle lobby... non è un caso che continuano a saltar fuori problemi...

A me la fusione a confinamento magnetico non piace per molti motivi, primo tra i quali che è molto più complicata dell'altra e per questo motivo stiamo investendo risorse da 50 anni in una cosa che non mi sembra applicabile in breve. Vero che ci sono molti esperimenti fatti in questo ambito, ma siamo sicuri che quello che manca per raggiungere la fusione (conveniente) inerziale non sia ancora più veloce di quella magnetica?