08:31 02 Dicembre 2020
Scienza e tech
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Il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ossia reattore internazionale sperimentale a fusione nucleare), secondo gli scienziati, consentirà all’umanità di ottenere una nuova fonte di energia sicura e rinnovabile che sfrutterà risorse di carburante di fatto inesauribili.

Un grammo di questo carburante equivale ad almeno dieci tonnellate di idrocarburi. Nell’estate del 2020 i Paesi partecipanti hanno avviato l’impianto dell’elemento principale del futuro reattore, il tokamak, ossia un sistema di contenimento e riscaldamento del plasma. Sputnik vi spiega quale contributo gli scienziati russi stanno apportando a uno dei progetti più grandi dell’umanità nel settore dell’energia.

Un mondo a energia termonucleare

Le reazioni di fusione nucleare hanno luogo contestualmente alla produzione di enormi quantità di energia, ma il plasma coinvolto in queste reazioni ha una temperatura di decine e centinaia di milioni di gradi. Si noti che i materiali più termoresistenti riescono a sostenere temperature non superiori a 3.000-4.000 gradi.

Dunque, è possibile utilizzare energia termonucleare a condizione di “schermare” il plasma dalle pareti del reattore utilizzando potenti campi magnetici, spiegano gli scienziati. La migliore trappola magnetica per il plasma termonucleare, il tokamak, fu ideata dagli accademici sovietici Sakharov e Tamm all’inizio degli anni ’50 e fu messa a punto per la prima volta presso l’Istituto Kurchatov.

Nel reattore a fusione nucleare, a differenza dei reattori a fissione, non si verifica la scissione dei nuclei, ma una loro sintesi a patto che la densità del plasma sia nell’ordine di 100.000 volte inferiore a quella dell’aria. A queste condizioni è impossibile che si verifichi un’esplosione, spiegano gli esperti, fattore che rende questa tipologia di reattori estremamente sicuri. Il materiale prodotto dal funzionamento di un simile reattore è composto da elio e trizio inattivati che vengono poi riutilizzati per il sostentamento della reazione stessa.

“ITER è la porta verso l’energia a fusione nucleare che il mondo dovrà varcare”. Queste sono le parole dell’iniziatore del progetto, il presidente emerito dell’Istituto Kurchatov, l’accademico Evgeny Velikhov. L’obiettivo di ITER, la cui idea di creazione fu ventilata già alla metà degli anni ’80, consiste nel dimostrare che è possibile utilizzare su scala industriale l’energia prodotta a partire dalla fusione nucleare.

Al momento il progetto conta 7 partecipanti: l’Unione Europea, l’India, la Cina, la Corea del Sud, la Russia, gli USA e il Giappone. La sede di ITER è dislocata a Cadarache, in Francia.

Oltre al fondamentale contributo ingegneristico e di idee, ITER, secondo gli scienziati, deve alla Russia anche la messa a punto di una serie di elementi chiave quali il più moderno cavo superconduttore e i migliori girotroni al mondo (si tratta di dispositivi utilizzati per surriscaldare il plasma mediante una radiazione elettromagnetica ad elevatissima frequenza).

Difficile gestire il trizio

Come carburante di ITER verrà impiegata una miscela di isotopi di idrogeno, il deuterio e il trizio. Il deuterio può essere prodotto in maniera relativamente semplice a partire dall’acqua, mentre il trizio sarà prodotto direttamente nel reattore a fusione nucleare. ITER, in qualità di impianto sperimentale, non produrrà subito energia elettrica, ma nei reattori termonucleari commerciali, secondo le stime degli scienziati, un grammo di carburante produrrà tanta energia quanta quella che oggi producono 10-20 tonnellate di idrocarburi.

Uno dei rischi legati al funzionamento del reattore consisterà nell’accumulo di trizio radioattivo all’interno della camera di scarica del tokamak, pertanto la quantità di questo elemento è limitata per soddisfare gli standard di sicurezza. I materiali della parete interna della camera, ossia tungsteno e berillio, non accumulano molto trizio, ma comunque, come spiegano gli esperti, per garantire la stabilità del reattore è necessario il ricorso a metodi di regolare monitoraggio da remoto dei livelli di trizio.

La quantità complessiva di questo isotopo all’interno della camera si determina in base al bilancio del gas in entrata e in uscita. Per una misurazione locale e più precisa della sua concentrazione nelle pareti del reattore gli scienziati hanno scelto di ricorrere al laser: grazie a questo si produce una sorta di “evaporazione” dello strato superficiale della parete, poi si catturano e analizzano le particelle così venutesi a creare.

Alla risoluzione di questa criticità chiave lavorerà il laboratorio MEPhI della National Research Nuclear University russa, appositamente istituito nel 2020 in seno all’Istituto di tecnologie laser e basate su plasma, guidato da un giovane scienziato, il docente di Fisica del plasma Yury Gasparyan. “Il nostro obiettivo è apprendere a misurare la concentrazione degli isotopi dell’idrogeno, leggeri e alquanto mobili, con il minor impatto possibile sulla parete del reattore. Sono previsti test sia sugli impianti di laboratorio sia sul tokamak Globus-M2 presso lo Ioffe Physical-Technical Institute”, spiega lo scienziato.

Una polvere pericolosa

L’idea del termoisolamento magnetico del plasma all’interno di un campo magnetico toroidale (ovvero dalla forma di una ciambella) è alla base del funzionamento del tokamak e, come hanno spiegato gli scienziati del MEPhI, non ostacola il decadimento delle particelle e le radiazioni sulle pareti del reattore. In questo modo dalle pareti si staccherà del materiale microscopico frutto del processo di erosione ossia, in parole povere, della polvere.

Le stime dei fisici rivelano che le particelle di polvere si raccoglieranno sul fondo della camera di scarica del tokamak, il che costituisce un pericolo per il reattore: infatti, questa polvere di per sé è infiammabile e contribuisce all’accumulo di trizio radioattivo.

Al fine di controllare la quantità e la composizione della polvere in totale sicurezza, gli scienziati del MEPhI, guidati dal professor Leon Begrambekov, hanno proposto di utilizzare una particolare sonda alla quale è integrato un dispositivo che crea un campo elettrico.

All’interno del campo elettrico formatosi tra la sonda e la superficie della parete i granelli di polvere si elettrizzano e vengono aspirati. La sonda agisce quindi da aspirapolvere raccogliendo i granelli e portandoli fuori mediante apposite uscite.

All’avanguardia scientifica

Nel team principale del progetto a Cadarache lavorano 1.100 esperti provenienti da tutti i Paesi partecipanti. Alcune decine di migliaia di scienziati e ingegneri lavorano invece nei team dislocati nei loro Paesi d’origine.

“Il MEPhI della National Research Nuclear University e, in particolare, la facoltà di Fisica del plasma sono tra i partecipanti più attivi del progetto, anche per quanto riguarda la formazione del personale. Per più di mezzo secolo la nostra facoltà è stata impegnata nella formazione di esperti in fisica del plasma caldo e in fusione nucleare controllata. I nostri laureati lavorano sia per il team di ITER in loco sia per gli altri team del progetto. Siamo coinvolti in collaborazioni con realtà dislocate ovunque nel mondo”, spiega Valery Kurnaev, direttore della cattedra di Fisica del plasma presso il MEPhI.

Da quanto fu istituita la facoltà gli esperti ad essa afferenti hanno messo a punto impianti in grado di studiare l’interazione del plasma e dei suoi componenti (ioni, elettroni, neutroni) con diversi materiali. Sono stati elaborati codici e teorie per descrivere questi processi ed è stata offerta formazione a un gran numero di scienziati.

Fra i lavori già portati a termine dagli esperti della facoltà per il progetto ITER si annoverano la creazione del metodo di rilevamento spettrometrico delle fuoriuscite di acqua nel plasma da elementi di refrigerazione della prima parete del reattore, l’elaborazione di metodologie per lo studio dell’impatto della scarica a bagliore sui primi schermi dei sistemi di diagnostica laser, nonché la creazione di schermi protettivi per i sistemi deputati all’assorbimento della radiazione elettromagnetica. 

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