reattore a fusione iter. Iter: come nasce il primo reattore termonucleare sperimentale internazionale Reattore termonucleare internazionale

22.12.2023

Creazione del progetto ITER e lancio del reattore

Il progetto ITER risale al 1985, quando l'Unione Sovietica propose la creazione congiunta di un tokamak, una camera toroidale con bobine magnetiche in grado di trattenere il plasma utilizzando magneti, creando così le condizioni necessarie affinché avvenga una reazione di fusione termonucleare. Nel 1992 è stato firmato un accordo quadripartito sullo sviluppo di ITER, al quale hanno aderito UE, USA, Russia e Giappone. Nel 1994 si è unita al progetto la Repubblica del Kazakistan, nel 2001 il Canada, nel 2003 la Corea del Sud e la Cina, nel 2005 l'India. Nel 2005 è stato determinato il luogo per la costruzione del reattore: il Centro di ricerca sull'energia nucleare di Cadarache, in Francia.

La costruzione del reattore iniziò con la preparazione di una fossa per la fondazione. Quindi i parametri della fossa erano 130 x 90 x 17 metri. L'intero complesso del tokamak peserà 360.000 tonnellate, di cui 23.000 tonnellate saranno il tokamak stesso.

Vari elementi del complesso ITER saranno sviluppati e consegnati al cantiere da tutto il mondo. Così nel 2016 sono stati sviluppati in Russia parte dei conduttori per bobine poloidali, che sono stati poi inviati in Cina, che produrrà le bobine stesse.

Ovviamente, un lavoro così vasto non è affatto facile da organizzare; diversi paesi non sono riusciti più volte a rispettare il programma del progetto, per cui il lancio del reattore è stato costantemente rinviato. Quindi, secondo il messaggio di giugno dello scorso anno (2016): “la ricezione del primo plasma è prevista per dicembre 2025”.

Il meccanismo operativo del tokamak ITER

Il termine "tokamak" deriva da un acronimo russo che significa "camera toroidale con bobine magnetiche".

Il cuore di un tokamak è la sua camera a vuoto a forma di toro. All'interno, a temperature e pressioni estreme, l'idrogeno gassoso diventa plasma, un gas caldo e carico elettricamente. Come è noto, la materia stellare è rappresentata dal plasma e le reazioni termonucleari nel nucleo solare avvengono proprio in condizioni di temperatura e pressione elevate. Condizioni simili per la formazione, la ritenzione, la compressione e il riscaldamento del plasma vengono create mediante massicce bobine magnetiche che si trovano attorno a un recipiente a vuoto. L'influenza dei magneti limiterà il plasma caldo dalle pareti del recipiente.

Prima che il processo abbia inizio, l'aria e le impurità vengono rimosse dalla camera a vuoto. I sistemi magnetici che aiuteranno a controllare il plasma vengono quindi caricati e viene introdotto il combustibile gassoso. Quando una potente corrente elettrica viene fatta passare attraverso il recipiente, il gas viene diviso elettricamente e viene ionizzato (cioè gli elettroni lasciano gli atomi) e forma un plasma.

Quando le particelle del plasma vengono attivate e si scontrano, iniziano anche a riscaldarsi. Le tecniche di riscaldamento assistito aiutano a portare il plasma a temperature comprese tra 150 e 300 milioni di ° C. Le particelle "eccitate" a questo livello possono superare la loro naturale repulsione elettromagnetica in caso di collisione, tali collisioni rilasciano enormi quantità di energia.

Il design del tokamak è costituito dai seguenti elementi:

Recipiente a vuoto

("ciambella") è una camera toroidale in acciaio inossidabile. Il suo diametro grande è di 19 m, quello piccolo è di 6 m e la sua altezza è di 11 m. Il volume della camera è di 1.400 m 3 e il suo peso è di oltre 5.000 tonnellate. Le pareti del recipiente a vuoto sono doppie; tra le pareti circolerà il liquido refrigerante, che sarà acqua distillata. Per evitare la contaminazione dell'acqua, la parete interna della camera è protetta dalle radiazioni radioattive mediante una coperta.

Coperta

(“coperta”) – è composta da 440 frammenti che ricoprono la superficie interna della camera. La superficie totale del banchetto è di 700 m2. Ogni frammento è una sorta di cassetta, il cui corpo è in rame e la parete frontale è rimovibile e in berillio. I parametri delle cassette sono 1x1,5 me la massa non supera le 4,6 tonnellate e tali cassette al berillio rallenteranno i neutroni ad alta energia formati durante la reazione. Durante la moderazione dei neutroni, il calore verrà rilasciato e rimosso dal sistema di raffreddamento. Va notato che la polvere di berillio formata a seguito del funzionamento del reattore può causare una grave malattia chiamata berillio e ha anche un effetto cancerogeno. Per questo motivo nel complesso si stanno sviluppando rigide misure di sicurezza.

Tokamak nella sezione. Giallo - solenoide, arancione - magneti a campo toroidale (TF) e campo poloidale (PF), blu - coperta, azzurro - VV - recipiente a vuoto, viola - divertore

(“posacenere”) di tipo poloidale è un dispositivo il cui compito principale è quello di “pulire” il plasma dallo sporco risultante dal riscaldamento e dall'interazione con esso delle pareti della camera ricoperte di coperta. Quando tali contaminanti entrano nel plasma, iniziano a irradiarsi intensamente, provocando ulteriori perdite di radiazioni. Si trova nella parte inferiore del tokomak e utilizza dei magneti per dirigere gli strati superiori di plasma (che sono i più contaminati) nella camera di raffreddamento. Qui il plasma si raffredda e si trasforma in gas, dopodiché viene pompato fuori dalla camera. La polvere di berillio, dopo essere entrata nella camera, non è praticamente in grado di tornare al plasma. Pertanto, la contaminazione del plasma rimane solo in superficie e non penetra più in profondità.

Criostato

- il componente più grande del tokomak, che è un guscio di acciaio inossidabile con un volume di 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) e una massa di 3.850 tonnellate. Altri elementi del sistema saranno collocati all'interno del criostato e esso stesso serve come barriera tra il tokamak e l'ambiente esterno. Sulle sue pareti interne saranno applicati schermi termici raffreddati mediante circolazione di azoto alla temperatura di 80 K (-193,15 °C).

Sistema magnetico

– un insieme di elementi che servono a contenere e controllare il plasma all'interno di un recipiente a vuoto. È un insieme di 48 elementi:

Le bobine di campo toroidale si trovano all'esterno della camera a vuoto e all'interno del criostato. Presentate in 18 pezzi, ciascuno dei quali misura 15 x 9 metri e pesa circa 300 tonnellate, insieme generano un campo magnetico di 11,8 Tesla attorno al toro di plasma e immagazzinano un'energia di 41 GJ.
Bobine di campo poloidale – situate sopra le bobine di campo toroidale e all'interno del criostato. Queste bobine sono responsabili della generazione di un campo magnetico che separa la massa del plasma dalle pareti della camera e comprime il plasma per il riscaldamento adiabatico. Il numero di tali bobine è 6. Due delle bobine hanno un diametro di 24 me una massa di 400 tonnellate, le restanti quattro sono leggermente più piccole.
Il solenoide centrale è situato nella parte interna della camera toroidale, ovvero nel “foro della ciambella”. Il principio del suo funzionamento è simile a quello di un trasformatore e il compito principale è eccitare la corrente induttiva nel plasma.
Le bobine di correzione si trovano all'interno del recipiente del vuoto, tra la coperta e la parete della camera. Il loro compito è mantenere la forma del plasma, capace di “rigonfiarsi” localmente e persino di toccare le pareti del vaso. Permette di ridurre il livello di interazione delle pareti della camera con il plasma, e quindi il livello della sua contaminazione, e riduce inoltre l'usura della camera stessa.

Struttura del complesso ITER

Il design del tokamak sopra descritto “in poche parole” è un meccanismo innovativo altamente complesso assemblato grazie agli sforzi di diversi paesi. Tuttavia, per il suo pieno funzionamento è necessario un intero complesso di edifici situati vicino al tokamak. Tra loro:

Sistema di Controllo, Accesso ai Dati e Comunicazione – CODAC. Situato in una serie di edifici del complesso ITER.
Stoccaggio e sistema di alimentazione del carburante: serve per fornire carburante al tokamak.
Sistema del vuoto - è costituito da oltre quattrocento pompe a vuoto, il cui compito è pompare i prodotti della reazione termonucleare, nonché vari contaminanti dalla camera a vuoto.
Sistema criogenico – rappresentato da un circuito di azoto ed elio. Il circuito dell'elio normalizzerà la temperatura nel tokamak, il cui lavoro (e quindi la temperatura) non avviene in modo continuo, ma a impulsi. Il circuito dell'azoto raffredderà gli scudi termici del criostato e lo stesso circuito dell'elio. Sarà inoltre presente un sistema di raffreddamento ad acqua, finalizzato ad abbassare la temperatura delle pareti della coperta.
Alimentazione elettrica. Il tokamak richiederà circa 110 MW di energia per funzionare ininterrottamente. Per raggiungere questo obiettivo verranno installate linee elettriche lunghe un chilometro e collegate alla rete industriale francese. Vale la pena ricordare che l'impianto sperimentale ITER non prevede la produzione di energia, ma opera solo per interessi scientifici.

Finanziamento ITER

Il reattore termonucleare internazionale ITER è un’impresa piuttosto costosa, inizialmente stimata in 12 miliardi di dollari, di cui Russia, Stati Uniti, Corea, Cina e India rappresentano 1/11 della somma, Giappone 2/11 e UE 4. /11 . Tale importo è successivamente aumentato a 15 miliardi di dollari. È interessante notare che il finanziamento avviene attraverso la fornitura delle attrezzature necessarie per il complesso, che viene sviluppato in ciascun paese. Pertanto, la Russia fornisce coperte, dispositivi per il riscaldamento del plasma e magneti superconduttori.

Prospettiva del progetto

Attualmente sono in corso la costruzione del complesso ITER e la produzione di tutti i componenti necessari per il tokamak. Dopo il lancio previsto del tokamak nel 2025, inizieranno una serie di esperimenti, sulla base dei risultati dei quali si noteranno gli aspetti che richiedono miglioramenti. Dopo il successo della messa in servizio di ITER, si prevede di costruire una centrale elettrica basata sulla fusione termonucleare denominata DEMO (DEMOnstration Power Plant). L'obiettivo di DEMo è dimostrare il cosiddetto "attrattiva commerciale" dell'energia da fusione. Se ITER è in grado di generare solo 500 MW di energia, DEMO sarà in grado di generare continuamente un'energia di 2 GW.

Va però tenuto presente che l’impianto sperimentale ITER non produrrà energia e il suo scopo è ottenere benefici puramente scientifici. E come sai, questo o quell'esperimento fisico può non solo soddisfare le aspettative, ma anche portare nuove conoscenze ed esperienze all'umanità.

Come è iniziato tutto? La “sfida energetica” è nata come risultato di una combinazione dei seguenti tre fattori:

1. L’umanità oggi consuma un’enorme quantità di energia.

Attualmente, il consumo energetico mondiale è di circa 15,7 terawatt (TW). Dividendo questo valore per la popolazione mondiale si ottengono circa 2400 watt pro capite, facilmente stimabili e visualizzabili. L'energia consumata da ogni abitante della Terra (compresi i bambini) corrisponde al funzionamento 24 ore su 24 di 24 lampade elettriche da cento watt. Tuttavia, il consumo di questa energia sul pianeta è molto disomogeneo, poiché è molto elevato in diversi paesi e trascurabile in altri. Il consumo (in termini di una persona) è pari a 10,3 kW negli USA (uno dei valori record), 6,3 kW nella Federazione Russa, 5,1 kW nel Regno Unito, ecc., ma, d'altra parte, è uguale solo 0,21 kW in Bangladesh (solo il 2% del consumo energetico degli Stati Uniti!).

2. Il consumo energetico mondiale sta aumentando drammaticamente.

Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia (2006), si prevede che il consumo globale di energia aumenterà del 50% entro il 2030. I paesi sviluppati, ovviamente, potrebbero farcela senza ulteriore energia, ma questa crescita è necessaria per far uscire le persone dalla povertà nei paesi in via di sviluppo, dove 1,5 miliardi di persone soffrono di gravi carenze energetiche.

3. Attualmente, l'80% dell'energia mondiale proviene dalla combustione di combustibili fossili(petrolio, carbone e gas), il cui utilizzo:

a) comporta potenzialmente un rischio di cambiamenti ambientali catastrofici;

b) inevitabilmente dovrà finire un giorno.

Da quanto detto è chiaro che ora dobbiamo prepararci alla fine dell’era dell’utilizzo dei combustibili fossili

Attualmente, le centrali nucleari producono energia rilasciata durante le reazioni di fissione dei nuclei atomici su larga scala. La creazione e lo sviluppo di tali centrali dovrebbero essere incoraggiati in ogni modo possibile, ma bisogna tenere conto che anche le riserve di uno dei materiali più importanti per il loro funzionamento (l'uranio a buon mercato) possono essere completamente esaurite entro i prossimi 50 anni . Le possibilità dell’energia basata sulla fissione nucleare possono (e dovrebbero) essere notevolmente ampliate attraverso l’uso di cicli energetici più efficienti, consentendo di quasi raddoppiare la quantità di energia prodotta. Per sviluppare energia in questa direzione è necessario creare reattori al torio (i cosiddetti reattori autofertilizzanti o reattori autofertilizzanti), in cui la reazione produce più torio dell'uranio originale, per cui la quantità totale di energia prodotta per una data quantità di sostanza aumenta di 40 volte. Sembra anche promettente creare reattori autofertilizzanti del plutonio utilizzando neutroni veloci, che sono molto più efficienti dei reattori all’uranio e possono produrre 60 volte più energia. Può darsi che per sviluppare queste aree sia necessario sviluppare nuovi metodi non standard per ottenere l'uranio (ad esempio dall'acqua di mare, che sembra essere la più accessibile).

Centrali elettriche a fusione

La figura mostra un diagramma schematico (non in scala) del dispositivo e del principio di funzionamento di una centrale termonucleare. Nella parte centrale è presente una camera toroidale (a forma di ciambella) con un volume di ~2000 m3, riempita con plasma di trizio-deuterio (T–D) riscaldato ad una temperatura superiore a 100 M°C. I neutroni prodotti durante la reazione di fusione (1) lasciano la “bottiglia magnetica” ed entrano nel guscio mostrato in figura dello spessore di circa 1 m.

All'interno del guscio, i neutroni si scontrano con gli atomi di litio, provocando una reazione che produce trizio:

neutrone + litio → elio + trizio

Inoltre, nel sistema si verificano reazioni concorrenti (senza formazione di trizio), nonché molte reazioni con il rilascio di neutroni aggiuntivi, che poi portano anche alla formazione di trizio (in questo caso, il rilascio di neutroni aggiuntivi può essere notevolmente potenziato, ad esempio, introducendo atomi di berillio nel guscio e piombo). La conclusione generale è che questa struttura potrebbe (almeno teoricamente) subire una reazione di fusione nucleare che produrrebbe trizio. In questo caso, la quantità di trizio prodotta non dovrebbe solo soddisfare le esigenze dell'impianto stesso, ma anche essere leggermente maggiore, il che consentirà di rifornire di trizio nuovi impianti. È questo concetto operativo che deve essere testato e implementato nel reattore ITER descritto di seguito.

Inoltre, i neutroni devono riscaldare il guscio nei cosiddetti impianti pilota (in cui verranno utilizzati materiali da costruzione relativamente “ordinari”) a circa 400°C. In futuro, si prevede di creare installazioni migliorate con una temperatura di riscaldamento del guscio superiore a 1000°C, che può essere ottenuta attraverso l'uso dei più recenti materiali ad alta resistenza (come i compositi di carburo di silicio). Il calore generato nel mantello, come nelle stazioni convenzionali, viene prelevato dal circuito di raffreddamento primario con un liquido refrigerante (contenente, ad esempio, acqua o elio) e trasferito al circuito secondario, dove viene prodotto vapore acqueo e fornito alle turbine.

1985 – L’Unione Sovietica propone l’impianto Tokamak di prossima generazione, sfruttando l’esperienza di quattro paesi leader nella creazione di reattori a fusione. Gli Stati Uniti d'America, insieme al Giappone e alla Comunità Europea, hanno avanzato una proposta per la realizzazione del progetto.

Attualmente, in Francia, è in corso la costruzione del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER (International Tokamak Experimental Reactor), descritto di seguito, che sarà il primo tokamak in grado di “accendere” il plasma.

I più avanzati impianti tokamak esistenti hanno raggiunto da tempo temperature di circa 150 M°C, prossime ai valori richiesti per il funzionamento di una stazione a fusione, ma il reattore ITER dovrebbe essere la prima centrale elettrica di grandi dimensioni progettata a lungo operazione a termine. In futuro sarà necessario migliorare significativamente i suoi parametri operativi, che richiederanno, prima di tutto, un aumento della pressione nel plasma, poiché la velocità di fusione nucleare ad una determinata temperatura è proporzionale al quadrato della pressione. Il principale problema scientifico in questo caso è legato al fatto che quando la pressione nel plasma aumenta, si verificano instabilità molto complesse e pericolose, cioè modalità operative instabili.

perché ne abbiamo bisogno?

Il vantaggio principale della fusione nucleare è che richiede solo quantità molto piccole di sostanze molto comuni in natura come combustibile. La reazione di fusione nucleare negli impianti descritti può portare al rilascio di enormi quantità di energia, dieci milioni di volte superiori al calore standard rilasciato durante le reazioni chimiche convenzionali (come la combustione dei combustibili fossili). Per fare un confronto, segnaliamo che la quantità di carbone necessaria per alimentare una centrale termica con una capacità di 1 gigawatt (GW) è di 10.000 tonnellate al giorno (dieci vagoni ferroviari), e un impianto a fusione della stessa potenza consumerà solo circa 1 chilogrammo della miscela D+T al giorno .

Il deuterio è un isotopo stabile dell'idrogeno; In circa una molecola su 3.350 di acqua ordinaria, uno degli atomi di idrogeno è sostituito dal deuterio (un'eredità del Big Bang). Questo fatto rende facile organizzare una produzione abbastanza economica della quantità richiesta di deuterio dall'acqua. È più difficile ottenere il trizio, che è instabile (il tempo di dimezzamento è di circa 12 anni, per cui il suo contenuto in natura è trascurabile), tuttavia, come mostrato sopra, il trizio apparirà direttamente all'interno dell'impianto termonucleare durante il funzionamento, a causa della reazione dei neutroni con il litio.

Pertanto, il combustibile iniziale per un reattore a fusione è litio e acqua. Il litio è un metallo comune ampiamente utilizzato negli elettrodomestici (batterie dei cellulari, ecc.). L'impianto sopra descritto, anche tenendo conto di un rendimento non ideale, sarà in grado di produrre 200.000 kWh di energia elettrica, che equivalgono all'energia contenuta in 70 tonnellate di carbone. La quantità di litio necessaria a tale scopo è contenuta in una batteria di computer e la quantità di deuterio in 45 litri di acqua. Il valore sopra corrisponde al consumo attuale di elettricità (calcolato per persona) nei paesi dell'UE per 30 anni. Il fatto stesso che una quantità così insignificante di litio possa garantire la generazione di una tale quantità di elettricità (senza emissioni di CO2 e senza il minimo inquinamento atmosferico) è un argomento abbastanza serio a favore dello sviluppo più rapido e vigoroso dell'energia termonucleare (malgrado tutte le difficoltà e problemi) e anche senza fiducia al cento per cento nel successo di tale ricerca.

Il deuterio dovrebbe durare milioni di anni e le riserve di litio facilmente estraibile sono sufficienti a soddisfare il fabbisogno per centinaia di anni. Anche se il litio nelle rocce si esaurisse, possiamo estrarlo dall’acqua, dove si trova in concentrazioni sufficientemente elevate (100 volte la concentrazione dell’uranio) da rendere la sua estrazione economicamente sostenibile.

Un reattore termonucleare sperimentale (reattore sperimentale termonucleare internazionale) è in costruzione vicino alla città di Cadarache in Francia. L'obiettivo principale del progetto ITER è implementare una reazione di fusione termonucleare controllata su scala industriale.

Per unità di peso del combustibile termonucleare, si ottiene circa 10 milioni di volte più energia rispetto alla combustione della stessa quantità di combustibile organico e circa cento volte di più rispetto alla divisione dei nuclei di uranio nei reattori delle centrali nucleari attualmente in funzione. Se i calcoli di scienziati e progettisti si avvereranno, ciò darà all'umanità una fonte inesauribile di energia.

Pertanto, diversi paesi (Russia, India, Cina, Corea, Kazakistan, Stati Uniti, Canada, Giappone, paesi dell'Unione Europea) hanno unito le forze per creare il reattore di ricerca termonucleare internazionale, un prototipo di nuove centrali elettriche.

ITER è un impianto che crea le condizioni per la sintesi di atomi di idrogeno e di trizio (un isotopo dell'idrogeno), con conseguente formazione di un nuovo atomo: un atomo di elio. Questo processo è accompagnato da un’enorme esplosione di energia: la temperatura del plasma in cui avviene la reazione termonucleare è di circa 150 milioni di gradi Celsius (per confronto, la temperatura del nucleo del Sole è di 40 milioni di gradi). In questo caso, gli isotopi bruciano, senza lasciare praticamente residui radioattivi.

Lo schema di partecipazione al progetto internazionale prevede la fornitura dei componenti del reattore e il finanziamento della sua costruzione. In cambio di ciò, ciascuno dei paesi partecipanti riceve pieno accesso a tutte le tecnologie per la creazione di un reattore termonucleare e ai risultati di tutto il lavoro sperimentale su questo reattore, che servirà come base per la progettazione di reattori termonucleari di potenza seriale.

Il reattore, basato sul principio della fusione termonucleare, non emette radiazioni radioattive ed è completamente sicuro per l'ambiente. Può essere localizzato quasi ovunque nel mondo e il suo combustibile è l'acqua normale. Si prevede che la costruzione di ITER durerà circa dieci anni, dopodiché si prevede che il reattore sarà in uso per 20 anni.

Nei prossimi anni gli interessi della Russia nel Consiglio dell'Organizzazione internazionale per la costruzione del reattore termonucleare ITER saranno rappresentati dal membro corrispondente dell'Accademia russa delle scienze Mikhail Kovalchuk - Direttore dell'Istituto Kurchatov, Istituto di cristallografia dell'Accademia russa di Segretario scientifico e scientifico del Consiglio presidenziale per la scienza, la tecnologia e l'istruzione. Kovalchuk sostituirà temporaneamente in questo incarico l'accademico Evgeniy Velikhov, che è stato eletto presidente del Consiglio internazionale ITER per i prossimi due anni e non ha il diritto di combinare questa posizione con i doveri di rappresentante ufficiale di un paese partecipante.

Il costo totale di costruzione è stimato a 5 miliardi di euro e la stessa cifra sarà necessaria per il funzionamento di prova del reattore. Le quote di India, Cina, Corea, Russia, Stati Uniti e Giappone rappresentano ciascuna circa il 10% del valore totale, il 45% proviene dai paesi dell'Unione Europea. Tuttavia, gli stati europei non hanno ancora concordato come verranno ripartiti esattamente i costi tra loro. Per questo motivo l’inizio dei lavori è stato rinviato ad aprile 2010. Nonostante l’ultimo ritardo, gli scienziati e i funzionari coinvolti in ITER affermano che saranno in grado di completare il progetto entro il 2018.

La potenza termonucleare stimata di ITER è di 500 megawatt. Le singole parti del magnete raggiungono un peso da 200 a 450 tonnellate. Per raffreddare ITER serviranno 33mila metri cubi d'acqua al giorno.

Nel 1998, gli Stati Uniti smisero di finanziare la propria partecipazione al progetto. Dopo che i repubblicani salirono al potere e iniziarono i continui blackout in California, l’amministrazione Bush annunciò maggiori investimenti nell’energia. Gli Stati Uniti non intendevano partecipare al progetto internazionale ed erano impegnati nel proprio progetto termonucleare. All'inizio del 2002, il consigliere tecnologico del presidente Bush, John Marburger III, dichiarò che gli Stati Uniti avevano cambiato idea e intendevano tornare sul progetto.

In termini di numero di partecipanti, il progetto è paragonabile a un altro grande progetto scientifico internazionale: la Stazione Spaziale Internazionale. Il costo di ITER, che in precedenza raggiungeva gli 8 miliardi di dollari, ammontava quindi a meno di 4 miliardi. In seguito al ritiro degli Stati Uniti dalla partecipazione, si è deciso di ridurre la potenza del reattore da 1,5 GW a 500 MW. Di conseguenza, anche il prezzo del progetto è diminuito.

Nel giugno 2002 si è tenuto nella capitale russa il simposio “ITER Days in Mosca”. Si sono discussi i problemi teorici, pratici e organizzativi del rilancio del progetto, il cui successo può cambiare il destino dell'umanità e darle un nuovo tipo di energia, paragonabile in efficienza ed economia solo all'energia del sole.

Nel luglio 2010, i rappresentanti dei paesi partecipanti al progetto del reattore termonucleare internazionale ITER ne hanno approvato il budget e il programma di costruzione in una riunione straordinaria tenutasi a Cadarache, in Francia. Il resoconto dell'incontro è disponibile qui.

Nell'ultima riunione straordinaria i partecipanti al progetto hanno approvato la data di inizio dei primi esperimenti con il plasma: 2019. Gli esperimenti completi sono previsti per marzo 2027, anche se la direzione del progetto ha chiesto a specialisti tecnici di cercare di ottimizzare il processo e di iniziare gli esperimenti nel 2026. I partecipanti all'incontro hanno deciso anche i costi di costruzione del reattore, ma non sono stati resi noti gli importi previsti per la realizzazione dell'impianto. Secondo le informazioni pervenute all'editore del portale ScienceNOW da una fonte anonima, quando inizieranno gli esperimenti, il costo del progetto ITER potrebbe raggiungere i 16 miliardi di euro.

L'incontro di Cadarache ha segnato anche il primo giorno lavorativo ufficiale per il nuovo direttore del progetto, il fisico giapponese Osamu Motojima. Prima di lui, il progetto era stato guidato dal 2005 dal giapponese Kaname Ikeda, che avrebbe voluto lasciare il suo incarico subito dopo l'approvazione del budget e dei termini di costruzione.

Il reattore a fusione ITER è un progetto congiunto di Unione Europea, Svizzera, Giappone, Stati Uniti, Russia, Corea del Sud, Cina e India. L'idea di creare ITER è stata presa in considerazione dagli anni '80 del secolo scorso, tuttavia, a causa di difficoltà finanziarie e tecniche, il costo del progetto è in costante aumento e la data di inizio della costruzione viene costantemente posticipata. Nel 2009, gli esperti prevedevano che i lavori per la realizzazione del reattore sarebbero iniziati nel 2010. Successivamente questa data è stata spostata e come data di lancio del reattore è stato indicato prima il 2018 e poi il 2019.

Le reazioni di fusione termonucleare sono reazioni di fusione di nuclei di isotopi leggeri per formare un nucleo più pesante, accompagnate da un enorme rilascio di energia. In teoria, i reattori a fusione possono produrre molta energia a basso costo, ma al momento gli scienziati spendono molta più energia e denaro per avviare e mantenere la reazione di fusione.

La fusione termonucleare è un modo economico ed ecologico per produrre energia. La fusione termonucleare incontrollata avviene sul Sole da miliardi di anni: l'elio si forma dal deuterio, isotopo pesante dell'idrogeno. Questo rilascia una quantità colossale di energia. Tuttavia, le persone sulla Terra non hanno ancora imparato a controllare tali reazioni.

Il reattore ITER utilizzerà gli isotopi dell'idrogeno come combustibile. Durante una reazione termonucleare, l'energia viene rilasciata quando gli atomi leggeri si combinano in atomi più pesanti. Per raggiungere questo obiettivo, il gas deve essere riscaldato a una temperatura di oltre 100 milioni di gradi, molto più alta della temperatura al centro del Sole. Il gas a questa temperatura si trasforma in plasma. Allo stesso tempo, gli atomi degli isotopi dell'idrogeno si fondono, trasformandosi in atomi di elio con il rilascio di un gran numero di neutroni. Una centrale elettrica che funziona secondo questo principio utilizzerà l'energia dei neutroni rallentata da uno strato di materiale denso (litio).

Perché la creazione di impianti termonucleari ha richiesto così tanto tempo?

Perché impianti così importanti e preziosi, dei cui benefici si discute da quasi mezzo secolo, non sono ancora stati realizzati? Ci sono tre ragioni principali (discusse di seguito), la prima delle quali può essere definita esterna o sociale, e le altre due - interne, cioè determinate dalle leggi e dalle condizioni dello sviluppo dell'energia termonucleare stessa.

1. Per molto tempo si è creduto che il problema dell'uso pratico dell'energia da fusione termonucleare non richiedesse decisioni e azioni urgenti, poiché già negli anni '80 del secolo scorso le fonti di combustibili fossili sembravano inesauribili e i problemi ambientali e il cambiamento climatico lo facevano non riguardano il pubblico. Nel 1976, il Comitato consultivo sull'energia da fusione del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti tentò di stimare il periodo di tempo per la ricerca e lo sviluppo e una centrale elettrica a fusione dimostrativa nell'ambito di varie opzioni di finanziamento della ricerca. Allo stesso tempo, si è scoperto che il volume dei finanziamenti annuali per la ricerca in questa direzione è del tutto insufficiente e, se viene mantenuto il livello attuale degli stanziamenti, la creazione di impianti termonucleari non avrà mai successo, poiché i fondi stanziati non corrispondono anche al livello minimo e critico.

2. Un ostacolo più serio allo sviluppo della ricerca in questo settore è che un impianto termonucleare del tipo in questione non può essere creato e dimostrato su piccola scala. Dalle spiegazioni presentate di seguito risulterà chiaro che la fusione termonucleare richiede non solo il confinamento magnetico del plasma, ma anche un suo riscaldamento sufficiente. Il rapporto tra energia spesa e ricevuta aumenta almeno in proporzione al quadrato delle dimensioni lineari dell'impianto, per cui le capacità scientifiche e tecniche e i vantaggi degli impianti termonucleari possono essere testati e dimostrati solo in stazioni abbastanza grandi, come come il citato reattore ITER. La società semplicemente non era pronta a finanziare progetti così grandi finché non ci fosse stata sufficiente fiducia nel successo.

3. Lo sviluppo dell'energia termonucleare è stato tuttavia molto complesso (nonostante i finanziamenti insufficienti e le difficoltà nella selezione dei centri per la realizzazione degli impianti JET e ITER), negli ultimi anni si sono osservati evidenti progressi, sebbene non sia stata ancora creata una stazione operativa.

Il mondo moderno si trova ad affrontare una sfida energetica molto seria, che può essere più accuratamente definita una “crisi energetica incerta”. Il problema è legato al fatto che le riserve di combustibili fossili potrebbero esaurirsi nella seconda metà di questo secolo. Inoltre, bruciare combustibili fossili può comportare la necessità di sequestrare e “immagazzinare” in qualche modo l’anidride carbonica rilasciata nell’atmosfera (il programma CCS menzionato sopra) per prevenire grandi cambiamenti nel clima del pianeta.

Attualmente, quasi tutta l'energia consumata dall'umanità viene creata bruciando combustibili fossili e la soluzione al problema potrebbe essere associata all'uso dell'energia solare o nucleare (la creazione di reattori autofertilizzanti veloci a neutroni, ecc.). Il problema globale causato dalla crescente popolazione dei paesi in via di sviluppo e dalla loro necessità di migliorare gli standard di vita e di aumentare la quantità di energia prodotta non può essere risolto solo sulla base di questi approcci, anche se, ovviamente, qualsiasi tentativo di sviluppare metodi alternativi di produzione di energia dovrebbe essere incoraggiato.

A rigor di termini, abbiamo una piccola scelta di strategie comportamentali e lo sviluppo dell'energia termonucleare è estremamente importante, anche se non ci sono garanzie di successo. Il quotidiano Financial Times (datato 25 gennaio 2004) ha scritto a questo proposito:

“Anche se i costi del progetto ITER superassero significativamente la stima iniziale, difficilmente raggiungeranno il livello di 1 miliardo di dollari all’anno. Questo livello di spesa dovrebbe essere considerato un prezzo molto modesto da pagare per un’opportunità molto ragionevole di creare una nuova fonte di energia per tutta l’umanità, soprattutto se si considera che già in questo secolo dovremo inevitabilmente abbandonare l’abitudine agli sprechi e il consumo sconsiderato di combustibili fossili”.

Speriamo che non ci siano grandi e inaspettate sorprese sul percorso verso lo sviluppo dell'energia termonucleare. In questo caso, tra circa 30 anni saremo in grado di fornire per la prima volta corrente elettrica da essa alle reti energetiche, e in poco più di 10 anni inizierà a funzionare la prima centrale termonucleare commerciale. È possibile che nella seconda metà di questo secolo l’energia da fusione nucleare comincerà a sostituire i combustibili fossili e inizierà gradualmente a svolgere un ruolo sempre più importante nel fornire energia all’umanità su scala globale.

Non esiste una garanzia assoluta che il compito di creare energia termonucleare (come fonte di energia efficace e su larga scala per tutta l'umanità) sarà completato con successo, ma la probabilità di successo in questa direzione è piuttosto alta. Considerando l’enorme potenziale delle centrali termonucleari, tutti i costi per i progetti per il loro sviluppo rapido (e persino accelerato) possono essere considerati giustificati, soprattutto perché questi investimenti sembrano molto modesti sullo sfondo del mostruoso mercato energetico globale (4 trilioni di dollari all’anno8). Soddisfare il fabbisogno energetico dell’umanità è un problema molto serio. Man mano che i combustibili fossili diventano meno disponibili (e il loro utilizzo diventa indesiderabile), la situazione sta cambiando e semplicemente non possiamo permetterci di non sviluppare l’energia da fusione.

Alla domanda “Quando apparirà l’energia termonucleare?” Lev Artsimovich (un pioniere riconosciuto e leader della ricerca in questo campo) una volta rispose che "sarà creato quando diventerà veramente necessario per l'umanità"

ITER sarà il primo reattore a fusione a produrre più energia di quanta ne consuma. Gli scienziati misurano questa caratteristica utilizzando un semplice coefficiente che chiamano "Q". Se ITER raggiungesse tutti i suoi obiettivi scientifici, produrrebbe 10 volte più energia di quanta ne consumerà. L'ultimo dispositivo costruito, il Joint European Torus in Inghilterra, è un prototipo di reattore a fusione più piccolo che, nelle fasi finali della ricerca scientifica, ha raggiunto un valore Q pari a quasi 1. Ciò significa che ha prodotto esattamente la stessa quantità di energia consumata . ITER andrà oltre dimostrando la creazione di energia dalla fusione e raggiungendo un valore Q pari a 10. L'idea è di generare 500 MW da un consumo energetico di circa 50 MW. Pertanto, uno degli obiettivi scientifici di ITER è dimostrare che è possibile raggiungere un valore Q pari a 10.

Un altro obiettivo scientifico è che ITER abbia un tempo di "bruciatura" molto lungo: un impulso di durata estesa fino a un'ora. ITER è un reattore sperimentale di ricerca che non può produrre energia in modo continuo. Quando ITER inizierà a funzionare, resterà acceso per un'ora, dopodiché dovrà essere spento. Questo è importante perché fino ad ora i dispositivi standard da noi creati erano in grado di avere una durata di combustione di diversi secondi o addirittura decimi di secondo: questo è il massimo. Il "Joint European Torus" ha raggiunto il suo valore Q pari a 1 con un tempo di combustione di circa due secondi con una durata dell'impulso di 20 secondi. Ma un processo che dura pochi secondi non è veramente permanente. Per analogia con l'avvio del motore di un'auto: accendere brevemente il motore e poi spegnerlo non è ancora il funzionamento reale dell'auto. Solo guidando la tua auto per mezz'ora raggiungerà una modalità operativa costante e dimostrerà che un'auto del genere può effettivamente essere guidata.

Cioè, da un punto di vista tecnico e scientifico, ITER fornirà un valore Q pari a 10 e un'autonomia maggiore.

Il programma di fusione termonucleare è veramente internazionale e di natura ampia. Le persone contano già sul successo di ITER e stanno pensando al passo successivo: creare un prototipo di un reattore termonucleare industriale chiamato DEMO. Per costruirlo, ITER deve funzionare. Dobbiamo raggiungere i nostri obiettivi scientifici perché ciò significherà che le idee che proponiamo saranno del tutto realizzabili. Tuttavia, sono d’accordo che dovresti sempre pensare a ciò che verrà dopo. Inoltre, poiché ITER opera da 25-30 anni, la nostra conoscenza si approfondirà e si espanderà gradualmente e saremo in grado di delineare con maggiore precisione il nostro prossimo passo.

In effetti, non vi è alcun dibattito sulla questione se ITER debba essere un tokamak. Alcuni scienziati pongono la domanda in modo abbastanza diverso: ITER dovrebbe esistere? Esperti di diversi paesi, sviluppando i propri progetti termonucleari, non così su larga scala, sostengono che un reattore così grande non è affatto necessario.

Tuttavia, la loro opinione difficilmente dovrebbe essere considerata autorevole. I fisici che lavorano con le trappole toroidali da diversi decenni sono stati coinvolti nella creazione di ITER. Il progetto del reattore termonucleare sperimentale di Karadash si è basato su tutta la conoscenza acquisita durante gli esperimenti su dozzine di tokamak precedenti. E questi risultati indicano che il reattore deve essere un tokamak, e per giunta di grandi dimensioni.

JET Al momento, il tokamak di maggior successo può essere considerato JET, costruito dall'UE nella città britannica di Abingdon. Questo è il più grande reattore di tipo tokamak creato fino ad oggi, l'ampio raggio del toro di plasma è di 2,96 metri. La potenza della reazione termonucleare ha già raggiunto più di 20 megawatt con un tempo di ritenzione fino a 10 secondi. Il reattore restituisce circa il 40% dell'energia immessa nel plasma.

È la fisica del plasma che determina il bilancio energetico”, ha detto Igor Semenov a Infox.ru. Il professore associato del MIPT ha descritto cos'è il bilancio energetico con un semplice esempio: “Abbiamo tutti visto un fuoco bruciare. Lì, infatti, non è la legna che brucia, ma il gas. La catena energetica lì è così: il gas brucia, la legna si riscalda, la legna evapora, il gas brucia di nuovo. Pertanto, se gettiamo acqua sul fuoco, prenderemo improvvisamente energia dal sistema per la transizione di fase dell'acqua liquida allo stato di vapore. Il saldo diventerà negativo e il fuoco si spegnerà. C'è un altro modo: possiamo semplicemente prendere i tizzoni e spargerli nello spazio. Anche il fuoco si spegnerà. È lo stesso nel reattore termonucleare che stiamo costruendo. Le dimensioni sono scelte per creare un adeguato bilancio energetico positivo per questo reattore. Sufficienti per costruire in futuro una vera centrale nucleare, risolvendo in questa fase sperimentale tutti i problemi che attualmente restano irrisolti”.

Le dimensioni del reattore sono state modificate una volta. Ciò accadde a cavallo tra il XX e il XXI secolo, quando gli Stati Uniti si ritirarono dal progetto e i restanti membri si resero conto che il budget ITER (a quel tempo era stimato in 10 miliardi di dollari USA) era troppo grande. I fisici e gli ingegneri dovevano ridurre i costi di installazione. E questo potrebbe essere fatto solo a causa delle dimensioni. La “riprogettazione” di ITER è stata guidata dal fisico francese Robert Aymar, che in precedenza aveva lavorato al tokamak francese Tore Supra a Karadash. Il raggio esterno del toro di plasma è stato ridotto da 8,2 a 6,3 metri. Tuttavia, i rischi legati alla riduzione delle dimensioni furono in parte compensati da numerosi magneti superconduttori aggiuntivi, che permisero di implementare la modalità di confinamento del plasma, allora aperta e studiata.

ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor, "Reattore termonucleare sperimentale internazionale") è un progetto scientifico e tecnico su larga scala volto alla costruzione del primo reattore termonucleare sperimentale internazionale.

Realizzato da sette partner principali (Unione Europea, India, Cina, Repubblica di Corea, Russia, Stati Uniti, Giappone) a Cadarache (regione Provenza-Alpi-Costa Azzurra, Francia). ITER si basa su un'installazione tokamak (dal nome delle sue prime lettere: una camera toroidale con bobine magnetiche), considerata il dispositivo più promettente per l'implementazione della fusione termonucleare controllata. Il primo tokamak fu costruito in Unione Sovietica nel 1954.

L’obiettivo del progetto è dimostrare che l’energia da fusione può essere utilizzata su scala industriale. ITER dovrebbe generare energia attraverso una reazione di fusione con isotopi pesanti di idrogeno a temperature superiori a 100 milioni di gradi.

Si presuppone che 1 g di carburante (una miscela di deuterio e trizio) che verrà utilizzato nell'impianto fornirà la stessa quantità di energia di 8 tonnellate di petrolio. La potenza termonucleare stimata di ITER è di 500 MW.

Gli esperti affermano che un reattore di questo tipo è molto più sicuro delle attuali centrali nucleari (NPP) e l’acqua di mare può fornirgli combustibile in quantità quasi illimitate. Pertanto, la riuscita attuazione di ITER fornirà una fonte inesauribile di energia rispettosa dell’ambiente.

Storia del progetto

Il concetto di reattore è stato sviluppato presso l'Istituto di energia atomica da cui prende il nome. I.V.Kurchatova. Nel 1978, l’URSS avanzò l’idea di attuare il progetto presso l’Agenzia internazionale per l’energia atomica (AIEA). Un accordo per la realizzazione del progetto fu raggiunto nel 1985 a Ginevra durante i negoziati tra URSS e USA.

Il programma è stato successivamente approvato dall'AIEA. Nel 1987, il progetto ricevette il nome attuale e nel 1988 fu creato un organo di governo: il Consiglio ITER. Nel 1988-1990 Scienziati e ingegneri sovietici, americani, giapponesi ed europei hanno effettuato uno studio concettuale del progetto.

Il 21 luglio 1992, a Washington, l'UE, la Russia, gli Stati Uniti e il Giappone hanno firmato un accordo sullo sviluppo del progetto tecnico ITER, che è stato completato nel 2001. Nel 2002-2005. Al progetto hanno aderito Corea del Sud, Cina e India. Il 21 novembre 2006 è stato firmato a Parigi l’accordo per la costruzione del primo reattore sperimentale a fusione internazionale.

Un anno dopo, il 7 novembre 2007, è stato firmato un accordo sul cantiere di ITER, secondo il quale il reattore sarà situato in Francia, presso la centrale nucleare di Cadarache vicino a Marsiglia. Il centro di controllo ed elaborazione dati sarà situato a Naka (Prefettura di Ibaraki, Giappone).

La preparazione del cantiere a Cadarache è iniziata nel gennaio 2007, mentre la costruzione su vasta scala è iniziata nel 2013. Il complesso sarà situato su un'area di 180 ettari. Il reattore, alto 60 metri e pesante 23mila tonnellate, sarà situato in un sito lungo 1 km e largo 400 m. I lavori per la sua costruzione sono coordinati dall'Organizzazione internazionale ITER, creata nell'ottobre 2007.

Il costo del progetto è stimato a 15 miliardi di euro, di cui l'UE (attraverso Euratom) rappresenta il 45,4% e altri sei partecipanti (tra cui la Federazione Russa) contribuiscono ciascuno con il 9,1%. Dal 1994 anche il Kazakistan partecipa al progetto con la quota russa.

Gli elementi del reattore saranno consegnati via nave alla costa mediterranea della Francia e da lì trasportati con apposite carovane nella regione di Cadarache. A tal fine, nel 2013, tratti delle strade esistenti sono stati notevolmente riattrezzati, i ponti sono stati rafforzati, sono stati costruiti nuovi incroci e binari con superfici particolarmente resistenti. Nel periodo dal 2014 al 2019, lungo la strada fortificata dovrebbero transitare almeno tre dozzine di autotreni superpesanti.

I sistemi diagnostici del plasma per ITER saranno sviluppati a Novosibirsk. Un accordo in merito è stato firmato il 27 gennaio 2014 dal direttore dell'Organizzazione internazionale ITER Osamu Motojima e dal capo dell'agenzia nazionale ITER nella Federazione Russa Anatoly Krasilnikov.

Lo sviluppo di un complesso diagnostico nell'ambito del nuovo accordo viene effettuato sulla base dell'omonimo Istituto fisico-tecnico. Accademia russa delle scienze AF Ioffe.

Si prevede che il reattore entrerà in funzione nel 2020, le prime reazioni di fusione nucleare verranno effettuate su di esso non prima del 2027. Nel 2037 si prevede di completare la parte sperimentale del progetto ed entro il 2040 di passare alla produzione di energia elettrica . Secondo le previsioni preliminari degli esperti, la versione industriale del reattore sarà pronta non prima del 2060, e una serie di reattori di questo tipo potranno essere realizzati solo entro la fine del 21° secolo.

L’energia termonucleare è necessaria?

In questa fase di sviluppo della civiltà, possiamo tranquillamente affermare che l’umanità deve affrontare una “sfida energetica”. È dovuto a diversi fattori fondamentali:

— Oggi l’umanità consuma un’enorme quantità di energia.

Attualmente, il consumo energetico mondiale è di circa 15,7 terawatt (TW). Dividendo questo valore per la popolazione del pianeta si ottengono circa 2400 watt pro capite, facilmente stimabili e immaginabili. L'energia consumata da ogni abitante della Terra (compresi i bambini) corrisponde al funzionamento 24 ore su 24 di 24 lampade elettriche da 100 watt.

— Il consumo energetico mondiale sta aumentando rapidamente.

Secondo l’Agenzia Internazionale per l’Energia (2006), si prevede che il consumo globale di energia aumenterà del 50% entro il 2030.

— Attualmente, l’80% dell’energia consumata nel mondo è creata bruciando combustibili fossili (petrolio, carbone e gas)), il cui utilizzo comporta il rischio di cambiamenti ambientali catastrofici.

La seguente battuta è popolare tra gli arabi sauditi: “Mio padre cavalcava un cammello. Ho una macchina e mio figlio sta già pilotando un aereo. Ma ora suo figlio cavalcherà di nuovo un cammello”.

Sembra che sia così, poiché tutte le previsioni serie indicano che le riserve mondiali di petrolio si esauriranno in gran parte entro circa 50 anni.

Anche sulla base delle stime dell’US Geological Survey (questa previsione è molto più ottimistica di altre), la crescita della produzione mondiale di petrolio continuerà per non più dei prossimi 20 anni (altri esperti prevedono che il picco di produzione sarà raggiunto tra 5-10 anni). anni), dopodiché il volume di petrolio prodotto inizierà a diminuire ad un tasso di circa il 3% annuo. Le prospettive per la produzione di gas naturale non sembrano molto migliori. Di solito si dice che avremo abbastanza carbone per altri 200 anni, ma questa previsione si basa sul mantenimento dell’attuale livello di produzione e consumo. Nel frattempo, il consumo di carbone aumenta ora del 4,5% all’anno, il che riduce immediatamente il periodo menzionato di 200 anni a soli 50 anni.

Pertanto, dovremmo ora prepararci alla fine dell’era dell’uso dei combustibili fossili.

Sfortunatamente, le fonti energetiche alternative attualmente esistenti non sono in grado di coprire i crescenti bisogni dell’umanità. Secondo le stime più ottimistiche, la quantità massima di energia (in equivalente termico specificato) generata dalle fonti elencate è di soli 3 TW (eolico), 1 TW (idroelettrico), 1 TW (fonti biologiche) e 100 GW (geotermico e marino). impianti). La quantità totale di energia aggiuntiva (anche in questa previsione ottimale) è solo di circa 6 TW. Vale la pena notare che lo sviluppo di nuove fonti energetiche è un compito tecnico molto complesso, quindi il costo dell'energia prodotta sarà comunque superiore rispetto alla normale combustione del carbone, ecc. Sembra abbastanza ovvio che

l'umanità deve cercare altre fonti di energia, per le quali attualmente possono essere prese in considerazione solo le reazioni del Sole e della fusione termonucleare.

Il sole è potenzialmente una fonte di energia quasi inesauribile. La quantità di energia che colpisce solo lo 0,1% della superficie del pianeta equivale a 3,8 TW (anche se convertita con solo il 15% di efficienza). Il problema risiede nella nostra incapacità di catturare e convertire questa energia, che è associata sia all’alto costo dei pannelli solari sia ai problemi di accumulo, stoccaggio e ulteriore trasmissione dell’energia risultante alle regioni richieste.

Attualmente, le centrali nucleari producono energia rilasciata durante le reazioni di fissione dei nuclei atomici su larga scala. Ritengo che la creazione e lo sviluppo di tali centrali debbano essere incoraggiati in ogni modo possibile, ma bisogna tenere conto che le riserve di uno dei materiali più importanti per il loro funzionamento (l’uranio a buon mercato) possono essere completamente esaurite anche all’interno prossimi 50 anni.

Un'altra importante direzione di sviluppo è l'uso della fusione nucleare (fusione nucleare), che ora funge da principale speranza di salvezza, sebbene il momento della creazione delle prime centrali termonucleari rimanga incerto. Questa conferenza è dedicata a questo argomento.

Cos'è la fusione nucleare?

La fusione nucleare, che è alla base dell'esistenza del Sole e delle stelle, rappresenta potenzialmente una fonte inesauribile di energia per lo sviluppo dell'Universo in generale. Esperimenti condotti in Russia (la Russia è la culla della centrale termonucleare Tokamak), negli Stati Uniti, in Giappone, Germania e nel Regno Unito nell'ambito del programma Joint European Torus (JET), che è uno dei principali programmi di ricerca nel mondo, dimostrano che la fusione nucleare può fornire non solo l’attuale fabbisogno energetico dell’umanità (16 TW), ma anche una quantità di energia molto maggiore.

L’energia da fusione nucleare è una realtà concreta e la questione principale è se saremo in grado di creare impianti di fusione sufficientemente affidabili ed economicamente vantaggiosi.

I processi di fusione nucleare sono reazioni che comportano la fusione di nuclei atomici leggeri in nuclei più pesanti, rilasciando una certa quantità di energia.

Innanzitutto, tra questi va segnalata la reazione tra due isotopi (deuterio e trizio) dell'idrogeno, molto comune sulla Terra, a seguito della quale si forma l'elio e viene rilasciato un neutrone. La reazione può essere scritta come segue:

D + T = 4 He + n + energia (17,6 MeV).

L'energia rilasciata, derivante dal fatto che l'elio-4 ha legami nucleari molto forti, viene convertita in energia cinetica ordinaria, distribuita tra il neutrone e il nucleo dell'elio-4 nella proporzione 14,1 MeV/3,5 MeV.

Per avviare (accendere) la reazione di fusione, è necessario ionizzare e riscaldare completamente il gas da una miscela di deuterio e trizio a una temperatura superiore a 100 milioni di gradi Celsius (lo indicheremo con M gradi), che è circa cinque volte superiore rispetto alla temperatura al centro del Sole. Già a temperature di diverse migliaia di gradi, le collisioni interatomiche portano alla fuoriuscita di elettroni dagli atomi, con conseguente formazione di una miscela di nuclei ed elettroni separati nota come plasma, in cui deutoni e tritoni carichi positivamente e altamente energetici (cioè deuterio e nuclei di trizio) sperimentano una forte repulsione reciproca. Tuttavia, l’elevata temperatura del plasma (e l’elevata energia ionica associata) consente a questi ioni di deuterio e trizio di superare la repulsione di Coulomb e di scontrarsi tra loro. A temperature superiori a 100 M gradi, i deutoni e i tritoni più “energici” si uniscono in collisioni a distanze così ravvicinate che potenti forze nucleari iniziano ad agire tra di loro, costringendoli a fondersi tra loro in un unico insieme.

L'esecuzione di questo processo in laboratorio pone tre problemi molto difficili. Innanzitutto la miscela gassosa dei nuclei D e T deve essere riscaldata a temperature superiori a 100 M gradi, evitando in qualche modo che si raffreddi e si contamini (a causa delle reazioni con le pareti del recipiente).

Per risolvere questo problema sono state inventate le “trappole magnetiche”, chiamate Tokamak, che impediscono l’interazione del plasma con le pareti del reattore.

Nel metodo descritto il plasma viene riscaldato da una corrente elettrica che scorre all'interno del toro fino a circa 3 M gradi, che però non è ancora sufficiente per innescare la reazione. Per riscaldare ulteriormente il plasma, l'energia viene “pompata” al suo interno con radiazioni a radiofrequenza (come in un forno a microonde), oppure vengono iniettati raggi di particelle neutre ad alta energia, che trasferiscono la loro energia al plasma durante le collisioni. Inoltre, il rilascio di calore avviene a causa delle stesse reazioni termonucleari (come verrà discusso di seguito), a seguito delle quali l '"accensione" del plasma dovrebbe avvenire in un'installazione sufficientemente grande.

Attualmente, in Francia, sta iniziando la costruzione del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), descritto di seguito, che sarà il primo Tokamak in grado di “accendere” il plasma.

Negli impianti più avanzati esistenti, tipo Tokamak, si raggiungono da tempo temperature di circa 150 M gradi, vicine ai valori richiesti per il funzionamento di una centrale termonucleare, ma il reattore ITER dovrebbe diventare il primo reattore di grande potenza impianto progettato per un funzionamento a lungo termine. In futuro sarà necessario migliorare significativamente i parametri del suo funzionamento, il che richiederà, prima di tutto, un aumento della pressione nel plasma, poiché la velocità di fusione nucleare ad una data temperatura è proporzionale al quadrato di la pressione.

Il principale problema scientifico in questo caso è legato al fatto che quando la pressione nel plasma aumenta, si verificano instabilità molto complesse e pericolose, cioè modalità operative instabili.

I nuclei di elio caricati elettricamente che si formano durante la reazione di fusione sono trattenuti all'interno di una "trappola magnetica", dove vengono gradualmente rallentati a causa delle collisioni con altre particelle, e l'energia rilasciata durante le collisioni aiuta a mantenere l'elevata temperatura del cordone di plasma. I neutroni neutri (privi di carica elettrica) lasciano il sistema e trasferiscono la loro energia alle pareti del reattore, e il calore prelevato dalle pareti è la fonte di energia per il funzionamento delle turbine che generano elettricità. I problemi e le difficoltà di gestione di un simile impianto sono associati, prima di tutto, al fatto che un potente flusso di neutroni ad alta energia e l'energia rilasciata (sotto forma di radiazioni elettromagnetiche e particelle di plasma) influenzano gravemente il reattore e possono distruggere i materiali da cui è realizzato.

Per questo motivo la progettazione degli impianti termonucleari è molto complessa. Fisici e ingegneri devono affrontare il compito di garantire un'elevata affidabilità del loro lavoro. La progettazione e la costruzione delle centrali termonucleari richiede la risoluzione di una serie di problemi tecnologici diversi e molto complessi.

Progettazione di centrali termonucleari

La figura mostra un diagramma schematico (non in scala) del dispositivo e del principio di funzionamento di una centrale termonucleare. Nella parte centrale è presente una camera toroidale (a forma di ciambella) con un volume di ~ 2000 m 3, riempita con plasma di trizio-deuterio (T-D) riscaldato ad una temperatura superiore a 100 M gradi. I neutroni prodotti durante la reazione di fusione lasciano la “trappola magnetica” ed entrano nel guscio mostrato in figura dello spessore di circa 1 m.1

All'interno del guscio, i neutroni si scontrano con gli atomi di litio, provocando una reazione che produce trizio:

neutrone + litio = elio + trizio.

Inoltre, nel sistema si verificano reazioni concorrenti (senza formazione di trizio), nonché molte reazioni con il rilascio di neutroni aggiuntivi, che poi portano anche alla formazione di trizio (in questo caso, il rilascio di neutroni aggiuntivi può essere notevolmente potenziato, ad esempio, introducendo atomi nel guscio di berillio e piombo). La conclusione generale è che questa struttura potrebbe (almeno teoricamente) subire una reazione di fusione nucleare che produrrebbe trizio. In questo caso, la quantità di trizio prodotta non dovrebbe solo soddisfare le esigenze dell'impianto stesso, ma anche essere leggermente maggiore, il che consentirà di rifornire di trizio nuovi impianti.

È questo concetto operativo che deve essere testato e implementato nel reattore ITER descritto di seguito.

I neutroni dovrebbero riscaldare il guscio nei cosiddetti impianti pilota (in cui verranno utilizzati materiali da costruzione relativamente “ordinari”) ad una temperatura di circa 400 gradi. In futuro, si prevede di creare installazioni migliorate con una temperatura di riscaldamento del guscio superiore a 1000 gradi, che può essere ottenuta utilizzando i più recenti materiali ad alta resistenza (come i compositi di carburo di silicio). Il calore generato nel mantello, come nelle stazioni convenzionali, viene prelevato dal circuito di raffreddamento primario con un liquido refrigerante (contenente, ad esempio, acqua o elio) e trasferito al circuito secondario, dove viene prodotto vapore acqueo e fornito alle turbine.

Il vantaggio principale della fusione nucleare è che richiede solo quantità molto piccole di sostanze molto comuni in natura come combustibile.

La reazione di fusione nucleare negli impianti descritti può portare al rilascio di enormi quantità di energia, dieci milioni di volte superiori al calore standard rilasciato durante le reazioni chimiche convenzionali (come la combustione dei combustibili fossili). Per fare un confronto, segnaliamo che la quantità di carbone necessaria per alimentare una centrale termica con una capacità di 1 gigawatt (GW) è di 10.000 tonnellate al giorno (dieci vagoni ferroviari), e un impianto a fusione della stessa potenza consumerà solo circa 1 kg di miscela D+ al giorno T.

Il deuterio è un isotopo stabile dell'idrogeno; In circa una molecola su 3.350 di acqua ordinaria, uno degli atomi di idrogeno viene sostituito dal deuterio (un'eredità del Big Bang dell'Universo). Questo fatto rende facile organizzare una produzione abbastanza economica della quantità richiesta di deuterio dall'acqua. È più difficile ottenere il trizio, che è instabile (il tempo di dimezzamento è di circa 12 anni, per cui il suo contenuto in natura è trascurabile), tuttavia, come mostrato sopra, il trizio verrà prodotto direttamente all'interno dell'impianto termonucleare durante il funzionamento a causa della reazione dei neutroni con il litio.

Pertanto, il combustibile iniziale per un reattore a fusione è litio e acqua.

Il litio è un metallo comune ampiamente utilizzato negli elettrodomestici (batterie dei cellulari, ad esempio). L'impianto sopra descritto, anche tenendo conto di un rendimento non ideale, sarà in grado di produrre 200.000 kWh di energia elettrica, che equivalgono all'energia contenuta in 70 tonnellate di carbone. La quantità di litio necessaria a tale scopo è contenuta in una batteria di computer e la quantità di deuterio in 45 litri di acqua. Il valore sopra corrisponde al consumo attuale di elettricità (calcolato per persona) nei paesi dell'UE per 30 anni. Il fatto stesso che una quantità così insignificante di litio possa fornire la generazione di una tale quantità di elettricità (senza emissioni di CO 2 e senza il minimo inquinamento atmosferico) è un argomento abbastanza serio a favore dello sviluppo rapido e vigoroso della ricerca sullo sviluppo di tecnologie termonucleari energia (nonostante tutte le difficoltà e i problemi) anche con la prospettiva a lungo termine di creare un reattore termonucleare economicamente vantaggioso.

Il deuterio dovrebbe durare milioni di anni e le riserve di litio facilmente estraibile sono abbastanza sufficienti a soddisfare il fabbisogno per centinaia di anni.

Anche se il litio nelle rocce si esaurisse, possiamo estrarlo dall’acqua, dove si trova in concentrazioni sufficientemente elevate (100 volte la concentrazione dell’uranio) da rendere la sua estrazione economicamente sostenibile.

L'energia da fusione non solo promette all'umanità, in linea di principio, la possibilità di produrre enormi quantità di energia in futuro (senza emissioni di CO 2 e senza inquinamento atmosferico), ma presenta anche una serie di altri vantaggi.

1 ) Elevata sicurezza interna.

Il plasma utilizzato negli impianti termonucleari ha una densità molto bassa (circa un milione di volte inferiore alla densità dell'atmosfera), per cui l'ambiente operativo degli impianti non conterrà mai energia sufficiente per provocare incidenti o incidenti gravi.

Inoltre, il caricamento del "carburante" deve essere effettuato in modo continuo, il che rende facile interromperne il funzionamento, per non parlare del fatto che in caso di incidente e di un brusco cambiamento delle condizioni ambientali, la "fiamma" termonucleare dovrebbe semplicemente esci.

Quali sono i pericoli associati all’energia termonucleare? In primo luogo, vale la pena notare che sebbene i prodotti della fusione (elio e neutroni) non siano radioattivi, l'involucro del reattore può diventare radioattivo sotto irradiazione prolungata di neutroni.

In secondo luogo, il trizio è radioattivo e ha un tempo di dimezzamento relativamente breve (12 anni). Ma nonostante il volume di plasma utilizzato sia significativo, a causa della sua bassa densità contiene solo una piccolissima quantità di trizio (un peso totale di una decina di francobolli). Ecco perché

anche nelle situazioni e negli incidenti più gravi (completa distruzione del guscio e rilascio di tutto il trizio in esso contenuto, ad esempio, durante un terremoto e un incidente aereo sulla stazione), solo una piccola quantità di carburante verrà rilasciata nel ambientale, che non richiederà l’evacuazione della popolazione dalle vicine aree popolate.

2 ) Costo energetico.

Si prevede che il cosiddetto prezzo “interno” dell'elettricità ricevuta (il costo di produzione stesso) diventerà accettabile se sarà pari al 75% del prezzo già esistente sul mercato. “Abbordabile” in questo caso significa che il prezzo sarà inferiore al prezzo dell’energia prodotta utilizzando i vecchi idrocarburi. Il costo “esterno” (effetti collaterali, impatti sulla salute pubblica, sul clima, sull’ecologia, ecc.) sarà sostanzialmente pari a zero.

Reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER

Il prossimo passo principale è costruire il reattore ITER, progettato per dimostrare la possibilità stessa di accendere un plasma e, su questa base, ottenere almeno dieci volte il guadagno di energia (rispetto all'energia spesa per riscaldare il plasma). Il reattore ITER sarà un dispositivo sperimentale che non sarà nemmeno dotato di turbine per la generazione di elettricità e di dispositivi per il suo utilizzo. Lo scopo della sua creazione è studiare le condizioni che devono essere soddisfatte durante il funzionamento di tali centrali elettriche, nonché la creazione su questa base di centrali elettriche reali ed economicamente sostenibili, che, a quanto pare, dovrebbero superare le dimensioni di ITER. Per creare prototipi reali di centrali elettriche a fusione (ovvero impianti completamente dotati di turbine, ecc.) è necessario risolvere i due problemi seguenti. Innanzitutto è necessario continuare a sviluppare nuovi materiali (in grado di resistere alle condizioni operative molto dure descritte) e testarli secondo le regole speciali per le apparecchiature IFMIF (International Fusion Irradiation Facility) descritte di seguito. In secondo luogo, è necessario risolvere molti problemi puramente tecnici e sviluppare nuove tecnologie relative al controllo remoto, al riscaldamento, alla progettazione dei rivestimenti, ai cicli del combustibile, ecc.2

La figura mostra il reattore ITER, che è superiore all'attuale più grande installazione JET non solo in tutte le dimensioni lineari (circa il doppio), ma anche nell'entità dei campi magnetici utilizzati al suo interno e delle correnti che fluiscono attraverso il plasma.

Lo scopo della creazione di questo reattore è dimostrare le capacità degli sforzi congiunti di fisici e ingegneri nella costruzione di una centrale elettrica a fusione su larga scala.

La capacità installativa prevista dai progettisti è di 500 MW (con un consumo energetico in ingresso all'impianto di soli 50 MW circa). 3

L'installazione ITER è stata realizzata da un consorzio che comprende UE, Cina, India, Giappone, Corea del Sud, Russia e Stati Uniti. La popolazione totale di questi paesi rappresenta circa la metà della popolazione totale della Terra, quindi il progetto può essere definito una risposta globale a una sfida globale. I principali componenti e componenti del reattore ITER sono già stati creati e testati e la costruzione è già iniziata a Cadarache (Francia). Il lancio del reattore è previsto per il 2020, mentre la produzione del plasma di deuterio-trizio è prevista per il 2027, poiché la messa in servizio del reattore richiede test lunghi e seri per il plasma di deuterio e trizio.

Le bobine magnetiche del reattore ITER sono basate su materiali superconduttori (che, in linea di principio, consentono il funzionamento continuo finché viene mantenuta la corrente nel plasma), quindi i progettisti sperano di fornire un ciclo di lavoro garantito di almeno 10 minuti. È chiaro che la presenza di bobine magnetiche superconduttrici è di fondamentale importanza per il funzionamento continuo di una vera centrale termonucleare. Bobine superconduttrici sono già state utilizzate in dispositivi di tipo Tokamak, ma non erano mai state utilizzate in installazioni su larga scala progettate per il plasma di trizio. Inoltre, la struttura ITER sarà la prima a utilizzare e testare diversi moduli shell progettati per funzionare in stazioni reali dove i nuclei di trizio possono essere generati o “recuperati”.

L'obiettivo principale della costruzione dell'impianto è dimostrare il successo del controllo della combustione del plasma e la possibilità di ottenere effettivamente energia in dispositivi termonucleari al livello attuale di sviluppo tecnologico.

Ulteriori sviluppi in questa direzione richiederanno ovviamente molti sforzi per migliorare l'efficienza dei dispositivi, soprattutto dal punto di vista della loro fattibilità economica, che è associata a una ricerca seria e lunga, sia sul reattore ITER che su altri dispositivi. Tra i compiti assegnati si segnalano in particolare i seguenti tre:

1) È necessario dimostrare che il livello scientifico e tecnologico esistente consente già di ottenere un guadagno di energia 10 volte superiore (rispetto a quella spesa per mantenere il processo) in un processo di fusione nucleare controllata. La reazione deve procedere senza il verificarsi di pericolose condizioni di instabilità, senza surriscaldamento e danni ai materiali strutturali e senza contaminazione del plasma con impurità. Con potenze dell’energia da fusione dell’ordine del 50% della potenza di riscaldamento del plasma, questi obiettivi sono già stati raggiunti in esperimenti in piccoli impianti, ma la creazione del reattore ITER metterà alla prova l’affidabilità dei metodi di controllo in un impianto molto più grande che produce molto più energia per un lungo periodo. Il reattore ITER è progettato per testare e concordare i requisiti di un futuro reattore a fusione e la sua costruzione è un compito molto complesso e interessante.

2) È necessario studiare metodi per aumentare la pressione nel plasma (ricordiamo che la velocità di reazione a una data temperatura è proporzionale al quadrato della pressione) per prevenire il verificarsi di pericolose modalità instabili di comportamento del plasma. Il successo della ricerca in questa direzione garantirà il funzionamento del reattore con una densità di plasma più elevata o ridurrà i requisiti per l'intensità dei campi magnetici generati, il che ridurrà significativamente il costo dell'elettricità prodotta dal reattore.

3) I test devono confermare che il funzionamento continuo del reattore in modalità stabile può essere realisticamente assicurato (da un punto di vista economico e tecnico, questo requisito sembra molto importante, se non il principale), e l'installazione può essere avviata senza grandi spese dispendi di energia. Ricercatori e progettisti sperano davvero che il flusso “continuo” della corrente elettromagnetica attraverso il plasma possa essere assicurato dalla sua generazione nel plasma (grazie alla radiazione ad alta frequenza e all'iniezione di atomi veloci).

Il mondo moderno si trova ad affrontare una sfida energetica molto seria, che può essere più accuratamente definita una “crisi energetica incerta”.

Attualmente, quasi tutta l'energia consumata dall'umanità viene creata bruciando combustibili fossili e la soluzione al problema potrebbe essere associata all'uso dell'energia solare o nucleare (la creazione di reattori a neutroni veloci, ecc.). Il problema globale causato dalla crescente popolazione dei paesi in via di sviluppo e dalla loro necessità di migliorare gli standard di vita e di aumentare la quantità di energia prodotta non può essere risolto solo sulla base di questi approcci, anche se, ovviamente, qualsiasi tentativo di sviluppare metodi alternativi di produzione di energia dovrebbe essere incoraggiato.

Se non ci saranno sorprese importanti e inaspettate sul percorso verso lo sviluppo dell’energia termonucleare, allora, a condizione che venga sviluppato un programma d’azione ragionevole e ordinato, che (ovviamente, a condizione di una buona organizzazione del lavoro e di finanziamenti sufficienti) dovrebbe portare alla creazione di un prototipo di centrale termonucleare. In questo caso, tra circa 30 anni saremo in grado di fornire per la prima volta corrente elettrica da essa alle reti energetiche, e in poco più di 10 anni inizierà a funzionare la prima centrale termonucleare commerciale. È possibile che nella seconda metà di questo secolo l’energia da fusione nucleare comincerà a sostituire i combustibili fossili e inizierà gradualmente a svolgere un ruolo sempre più importante nel fornire energia all’umanità su scala globale.