Per secoli, gli umani hanno sognato sfruttando il potere del sole per dare energia alle nostre vite qui sulla Terra. Ma vogliamo andare oltre la raccolta di energia solare, e un giorno generare il nostro da un mini-sole. Se siamo in grado di risolvere un insieme estremamente complesso di problemi scientifici e ingegneristici, promette l'energia di fusione a fonte di energia verde, sicura, illimitata. Da solo un chilogrammo di deuterio estratto dall'acqua al giorno potrebbe arrivare abbastanza energia per alimentare centinaia di migliaia di case.

Dal momento che 1950s, la ricerca scientifica e ingegneristica ha ha generato enormi progressi verso la forzatura degli atomi di idrogeno per fondersi insieme in una reazione autosufficiente - così come a piccola ma dimostrabile quantità dell'energia di fusione. Scettici e proponenti allo stesso modo prendi nota delle due sfide rimanenti più importanti: mantenere le reazioni per lunghi periodi di tempo e ideare una struttura materiale per sfruttare la potenza di fusione per l'elettricità.

Come ricercatori di fusione al Princeton Plasma Physics Lab, sappiamo che realisticamente, la prima centrale elettrica a fusione commerciale è ancora almeno 25 anni lontana. Ma il potenziale per i suoi enormi benefici che arriveranno nella seconda metà di questo secolo significa che dobbiamo continuare a lavorare. Le principali dimostrazioni di fattibilità della fusione possono essere realizzate prima - e devono, in modo che il potere di fusione possa essere incorporato nella pianificazione del nostro futuro energetico.

A differenza di altre forme di generazione elettrica, come il solare, il gas naturale e la fissione nucleare, la fusione non può essere sviluppata in miniatura e quindi essere semplicemente ridimensionata. I passaggi sperimentali sono grandi e richiedono tempo per essere costruiti. Ma il problema dell'energia abbondante e pulita sarà a importante chiamata per l'umanità per il prossimo secolo e oltre. Sarebbe sconsiderato non sfruttare pienamente questa promettente fonte di energia.

Perché il potere di fusione?

In fusione, due nuclei dell'atomo di idrogeno (isotopi di deuterio e trizio) si fondono insieme. Questo è relativamente difficile da fare: entrambi i nuclei sono caricati positivamente e quindi si respingono a vicenda. Solo se si muovono estremamente velocemente quando entrano in collisione si sfasciano insieme, si fondono e quindi rilasciano l'energia che stiamo cercando.

Questo accade naturalmente al sole. Qui sulla Terra, utilizziamo potenti magneti per contenere un gas estremamente caldo di deuterio e nuclei di tritio ed elettroni caricati elettricamente. Questo gas caldo e carico è chiamato plasma.

Il plasma è così caldo - più di 100 milioni di gradi Celsius - che i nuclei con carica positiva si muovono abbastanza velocemente da superare la loro repulsione elettrica e la miccia. Quando i nuclei si fondono, formano due particelle energetiche: una particella alfa (il nucleo dell'atomo di elio) e un neutrone.

Il riscaldamento del plasma a una temperatura così elevata richiede una grande quantità di energia, che deve essere immessa nel reattore prima che possa iniziare la fusione. Ma una volta che si avvia, la fusione ha il potenziale per generare abbastanza energia per mantenere il proprio calore, permettendoci di attingere l'eccesso di calore per trasformarsi in elettricità utilizzabile.

Il carburante per il potere di fusione è abbondante in natura. Il deuterio è abbondante in acqua e il reattore stesso può farlo fare il trizio dal litio. Ed è disponibile per tutte le nazioni, per lo più indipendenti dalle risorse naturali locali.

Il potere di fusione è pulito. Non emette gas serra e produce solo elio e un neutrone.

È sicuro. C'è nessuna possibilità per una reazione di fuga, come un "disastro" della fissione nucleare. Piuttosto, se c'è qualche malfunzionamento, il plasma si raffredda e le reazioni di fusione cessano.

Tutti questi attributi hanno motivato la ricerca per decenni e sono diventati ancora più attraenti nel tempo. Ma i positivi sono accompagnati dalla significativa sfida scientifica della fusione.

Progressi fino ad oggi

Il progresso nella fusione può essere misurato in due modi. Il primo è l'enorme progresso nella comprensione di base dei plasmi ad alta temperatura. Gli scienziati hanno dovuto sviluppare un nuovo campo della fisica - fisica del plasma - concepire metodi per confinare il plasma in forti campi magnetici, e quindi evolvere le capacità per riscaldare, stabilizzare, controllare la turbolenza e misurare le proprietà del plasma superhot.

Anche la tecnologia correlata è progredita enormemente. abbiamo spinto le frontiere in calamitee sorgenti di onde elettromagnetiche e fasci di particelle a contenere e riscaldare il plasma. Abbiamo anche sviluppato tecniche in modo tale i materiali possono resistere al calore intenso del plasma negli esperimenti attuali.

È facile trasmettere le metriche pratiche che seguono la marcia della fusione fino alla commercializzazione. Il principale tra questi è la potenza di fusione che è stata generata in laboratorio: la generazione di energia di fusione è passata da milliwatt per microsecondi negli 1970 a megawatt 10 di potenza di fusione (presso il Princeton Plasma Physics Laboratory) e 16 megawatt per un secondo (al Joint European Torus in England) negli 1990.

Un nuovo capitolo nella ricerca

Ora la comunità scientifica internazionale sta lavorando in unità per costruire una massiccia struttura di ricerca sulla fusione in Francia. Chiamato ITER (In latino "the way"), questa pianta genererà circa 500 megawatt di potenza di fusione termica per circa otto minuti alla volta. Se questo potere fosse convertito in elettricità, potrebbe alimentare le case 150,000. Come esperimento, ci consentirà di testare le principali problematiche scientifiche e ingegneristiche in preparazione di centrali elettriche a fusione che funzioneranno in modo continuo.

ITER utilizza il design noto come "tokamak, "Originariamente un acronimo russo. Si tratta di un plasma a forma di ciambella, confinato in un campo magnetico molto forte, che è in parte creato dalla corrente elettrica che scorre nel plasma stesso.

Sebbene sia progettato come un progetto di ricerca e non intenda essere un produttore netto di energia elettrica, ITER produrrà 10 volte più energia di fusione rispetto ai megawatt 50 necessari per riscaldare il plasma. Questo è un enorme passo scientifico, creando il primo "plasma in fiamme, "In cui la maggior parte dell'energia usata per riscaldare il plasma proviene dalla stessa reazione di fusione.

ITER è supportato da governi che rappresentano la metà della popolazione mondiale: Cina, Unione Europea, India, Giappone, Russia, Corea del Sud e Stati Uniti. È una dichiarazione internazionale forte sulla necessità e sulla promessa di energia di fusione.

La strada in avanti

Da qui, il percorso rimanente verso la fusione ha due componenti. Innanzitutto, dobbiamo continuare la ricerca sul tokamak. Ciò significa far progredire la fisica e l'ingegneria in modo da poter sostenere il plasma in uno stato stazionario per mesi alla volta. Avremo bisogno di sviluppare materiali in grado di sopportare una quantità di calore pari a un quinto del flusso di calore sulla superficie del sole per lunghi periodi. E dobbiamo sviluppare materiali che copriranno il nucleo del reattore per assorbire i neutroni e allevare il trizio.

La seconda componente sulla via della fusione è lo sviluppo di idee che migliorano l'attrattiva della fusione. Quattro di queste idee sono:

1) Utilizzando i computer, ottimizza i progetti di reattori di fusione entro i limiti della fisica e dell'ingegneria. Oltre a ciò che gli esseri umani possono calcolare, questi progetti ottimizzati producono forme a ciambella contorta che sono altamente stabili e possono funzionare automaticamente per mesi e mesi. Sono chiamati "stellarators" nel business della fusione.

2) Sviluppo di nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura che possono essere più forti e più piccoli di oggi è il migliore. Ciò ci consentirà di costruire reattori a fusione più piccoli, e probabilmente meno costosi.

3) Usando il metallo liquido, piuttosto che un solido, come il materiale che circonda il plasma. I metalli liquidi non si rompono, offrendo una possibile soluzione all'immensa sfida su come un materiale circostante potrebbe comportarsi quando contatta il plasma.

4) Sistemi di costruzione contenenti plasmi a forma di ciambella nessun buco al centro, formando un plasma modellato quasi come una sfera. Alcuni di questi approcci potrebbero anche funzionare con un campo magnetico più debole. Questi "tori compatti"E gli approcci" low field "offrono anche la possibilità di ridurre dimensioni e costi.

Programmi di ricerca sponsorizzati dal governo in tutto il mondo sono al lavoro sugli elementi di entrambe le componenti - e si otterranno risultati che vanno a beneficio di tutti gli approcci all'energia di fusione (così come la nostra comprensione dei plasmi nel cosmo e nell'industria). Negli anni passati da 10 a 15, anche le società finanziate privatamente si sono unite allo sforzo, in particolare alla ricerca di tori compatti e scoperte a basso campo. Il progresso sta arrivando e porterà con sé un'energia abbondante, pulita e sicura.

Circa l'autore

Stewart Prager, professore di Astrophysical Science, ex direttore del Princeton Plasma Physics Laboratory, Università di Princeton e Michael C. Zarnstorff, vicedirettore per la ricerca, Princeton Plasma Physics Laboratory, Università di Princeton

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

[Nota del redattore: Ecco a messaggio di avvertimento riguardante l'energia di fusione.]

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