Vasi di Fusione Sferici e Maionese – Reimmaginare le Nostre Future Esigenze Energetiche

L’energia da fusione è vecchia quanto il nostro sistema cosmico. Alimenta il sole e le stelle. Tuttavia, la sua applicazione sul nostro pianeta è ancora sperimentale.

Secondo un rapporto di metà luglio, gli investimenti nel settore sono aumentati di oltre 900 milioni di dollari quest’anno, arrivando a circa 7,1 miliardi di dollari. Tuttavia, gli esperti ritengono che la crescita degli investimenti non sia ancora sufficiente. È inferiore all’aumento di 1,4 miliardi di dollari raggiunto lo scorso anno e di 2,8 miliardi di dollari nel 2022.

Secondo Andrew Holland, capo della Fusion Industry Association:

“La crescita osservata negli ultimi 12 mesi è positiva, ma non sarà sufficiente per raggiungere gli ambiziosi obiettivi della fusione.”

Come in ogni altro settore, la crescita può essere raggiunta solo attraverso l’innovazione. Oggi esploreremo una di queste innovazioni efficienti e cruciali—mirata ad eliminare la necessità di un solenoide di riscaldamento ohmico—che potrebbe essere il fattore di progettazione più impattante per realizzare sistemi di reattori a fusione tokamak economici e compatti.

Ma prima di approfondire la ricerca e le sue implicazioni, dobbiamo avere una breve panoramica di come funziona la scienza dell’energia da fusione e del ruolo che i sistemi tokamak svolgono al suo interno. 

La Scienza dell’Energia da Fusione e i Sistemi Tokamak

È un campo multidisciplinare della scienza che mira a sviluppare una fonte di energia basata sulla fusione controllata. Il principio base della fusione consiste nel combinare due nuclei per formare un nucleo.

A un livello più pratico, la fusione sulla Terra comporta la creazione di condizioni che generano plasma sostenuti, gas così caldi che gli elettroni si liberano dai nuclei atomici. I ricercatori usano campi elettrici e magnetici per controllare la raccolta risultante di ioni ed elettroni perché possiedono cariche elettriche. Il meccanismo è ciò che ispira il nome fusione controllata.

I sistemi tokamak aiutano a confinare il plasma usando campi magnetici in una forma a ciambella chiamata toro. Nel corso degli anni, i tokamak sono emersi come il concetto di confinamento del plasma leader per le future centrali di fusione. La ricerca di cui parleremo nel segmento successivo riguarda l’ottimizzazione dello spazio del tokamak.

Vasi di Fusione Compatti e Sferici: Un Tokamak più Piccolo come Opzione di Fusione più Economica

Un ampio team di ricercatori è stato alla guida di questa ricerca, includendo scienziati del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), dell’azienda privata Tokamak Energy e dell’Università di Kyushu in Giappone. La loro proposta è semplice in termini di idea: un impianto pilota di fusione compatto e sferico che riscalda il plasma usando solo microonde.

 L’uso delle microonde eliminerebbe la necessità di una massiccia bobina di filo di rame chiamata solenoide, situata vicino al centro del contenitore, per riscaldare il plasma. 

Mentre spiegava l’utilità della rimozione di questo approccio convenzionale di riscaldamento ohmico, Mayasuki Ono, fisico di ricerca principale al PPPL e autore principale del documento, ha detto:

“Un plasma tokamak sferico compatto assomiglia a una mela con nocciolo con un nocciolo relativamente piccolo, quindi non si ha spazio per una bobina di riscaldamento ohmico. Se non dobbiamo includere una bobina di riscaldamento ohmico, probabilmente possiamo progettare una macchina più facile e più economica da costruire.”

Per raggiungere il suo obiettivo, l’esperimento sfrutta una tecnologia chiamata ECCD, che sta per Electron Cyclotron Current Drive, in grado di generare simultaneamente una corrente e riscaldare il plasma. I ricercatori hanno inoltre sviluppato un codice informatico chiamato TORAY, che, in combinazione con un altro chiamato TRANSP, può analizzare gli angoli di puntamento del fascio per determinare la massima efficienza e ridurre al minimo la potenza necessaria a generare la corrente richiesta. 

I ricercatori hanno identificato la modalità di ECCD che funzionerebbe meglio per ogni fase del processo di riscaldamento. Le scelte probabili coinvolgono due modalità:

• Modalità O o modalità ordinaria
• Modalità X o modalità straordinaria
  

Entrambe queste modalità sono utili e contribuiscono al funzionamento complessivo del sistema. La modalità X funziona al meglio quando è necessario aumentare la temperatura e la corrente del plasma. La modalità O è l’opzione più adatta per mantenere la temperatura e la corrente del plasma dopo l’aumento. 

Riassumendo le opzioni di riscaldamento alternative, Ono ha detto:

“La modalità O è buona per un plasma ad alta temperatura e alta densità. Ma abbiamo scoperto che l’efficienza della modalità O diventa molto scarsa a temperature più basse, quindi è necessario qualcos’altro per gestire il regime a bassa temperatura.” 

I ricercatori hanno anche sottolineato l’importanza di mantenere il plasma libero da impurità. Campi magnetici forti confinano in gran parte il plasma all’interno di un tokamak in una forma particolare, ma a volte il plasma può avvicinarsi alle pareti interne del tokamak, permettendo agli atomi delle pareti di sputtare e entrare nel plasma.

Mentre le proposte di ricerca sono ancora sperimentali, possiamo già vedere il coinvolgimento di entità commerciali che possono portare avanti questa soluzione, scalarla, e rendere l’applicazione dell’energia da fusione più ottimizzata ed efficiente dal punto di vista energetico. Nel segmento successivo, parleremo di Tokamak, l’azienda che è già stata coinvolta nel processo.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak è stata in prima linea nello sviluppo della tecnologia necessaria per fornire con successo energia da fusione negli anni 2030. La sua visione è rendere l’energia da fusione pulita, sicura, accessibile e prontamente disponibile.

Finora, l’azienda ha ottenuto 77 famiglie di domande di brevetto e ha raccolto complessivamente 250 milioni di dollari. Di questi 250 milioni, 200 milioni provengono da investitori privati, e il resto dai governi del Regno Unito e degli Stati Uniti.

Nel corso della sua attività, l’azienda ha aggiunto molti risultati al suo curriculum. Ad esempio, nel 2022, l’azienda è diventata la prima società privata di fusione a raggiungere una temperatura ionica del plasma di 100 milioni di gradi Celsius in un tokamak, la soglia per la fusione su scala commerciale.

Lo stesso anno, l’azienda è stata anche accreditata con il più alto ‘triple product’ del plasma di qualsiasi società privata di fusione, una misura chiave della temperatura del plasma e del tempo di confinamento.

Abbiamo già discusso del Tokamak sferico, che è uno dei percorsi più studiati e ampiamente considerati per l’energia da fusione. I suoi vantaggi includono efficienza operativa, stabilità del plasma e convenienza economica.

Il tokamak sferico compatto ad alto campo ST40 di Tokamak è uno dei più avanzati in questo settore. Grazie a questo, Tokamak ha raggiunto una temperatura ionica del plasma di 100 milioni di gradi Celsius, sei volte più calda del centro del Sole.

Tokamak sta anche costruendo un sistema magnetico Demo4 in una struttura di prova appositamente costruita. Il sistema è composto da 44 bobine HTS individuali assemblate in 14 bracci di campo toroidale e due bobine di campo poloidale in una struttura a gabbia. Può operare in vuoto a 20 Kelvin (-250°C) con una forza del campo magnetico quasi un milione di volte più forte del campo magnetico terrestre.

#2. Helion

Un’altra azienda che sta facendo un lavoro rivoluzionario in questo campo è Helion. L’azienda afferma di aver costruito il primo impianto di energia da fusione al mondo. Il generatore di fusione di Helion è anche in grado di elevare il combustibile di fusione a più di 100 milioni di gradi Celsius. Inoltre, può estrarre elettricità con un approccio pulsato ad alta efficienza.

Dal punto di vista tecnologico, la soluzione di Helion sfrutta la tecnologia di fusione magneto-inerziale. La tecnologia di Helion presenta tre caratteristiche distintive che la differenziano da altri approcci disponibili in questo settore. Per consentire la regolazione della potenza in base alle necessità, l’azienda utilizza un sistema di fusione pulsato, non di accensione.

Simile a come funziona un sistema di frenata rigenerativa in un’auto elettrica, il sistema Helion può recuperare direttamente l’elettricità. Questo rende il sistema Helion molto più efficiente dal punto di vista energetico, poiché gli altri sistemi di fusione disponibili riscaldano l’acqua per creare vapore che fa girare la turbina, perdendo molta energia nel processo.

Helion utilizza deuterio e elio-3 (D-³He) come combustibile. La fusione di questi due produce particelle cariche che possono essere direttamente ricaptate come elettricità, mantenendo il sistema piccolo, efficiente, veloce e conveniente. L’uso di deuterio e elio-3 (D-³He) come combustibile aiuta a ridurre le emissioni di neutroni e riduce significativamente le sfide ingegneristiche che sorgono nell’uso del combustibile di fusione deuterio-trizio.

È importante notare che l’azienda crede che la sua energia da fusione possa diventare una delle fonti di elettricità a più basso costo, idealmente producendo elettricità a un costo di 0,01 dollari USA per kWh.

Secondo le ultime informazioni disponibili, l’azienda, fondata nel 2008, potrebbe raccogliere 500 milioni di dollari entro la fine del 2021, raggiungendo una valutazione di 1,25 miliardi di dollari. Questo ultimo round è stato guidato da Sam Altman, CEO di OpenAI, che ha personalmente investito 375 milioni di dollari, evidenziando la forte fiducia nel potenziale di Helion di rivoluzionare la produzione di energia attraverso la tecnologia di fusione. Il finanziamento totale ora ammonta a 577 milioni di dollari, che saranno destinati al completamento del settimo prototipo di Helion, Polaris, e a avvicinarsi alla commercializzazione dell’energia da fusione entro il 2024.

Il lavoro tecnologico avanzato di aziende come Tokamak e Helion sta aiutando il settore dell’energia da fusione a fare grandi progressi. La ricerca specifica che abbiamo citato per avviare la nostra discussione è stata il risultato di una partnership pubblico-privata. Dimostra che esiste un trasferimento costante e sistemico di conoscenze e capacità tra istituzioni di ricerca e aziende commerciali.

Il Futuro dei Vasi di Fusione: Pensiero Innovativo verso l’Ottimizzazione delle Risorse

Riuscire con la fusione richiederebbe di approfondire ulteriormente la sua scienza. Gli scienziati sono più curiosi che mai. 

La Maionese Aiuta i Ricercatori a Risolvere le Complesse Sfide dell’Energia da Fusione

Un team di ricercatori dell’Università di Lehigh sta usando la maionese come ingrediente chiave nella loro ricerca in corso sulle fasi dell’instabilità di Rayleigh-Taylor. Questa ricerca potrebbe informare la progettazione di futuri processi di fusione a confinamento inerziale per energia pulita.

Secondo Arindam Banerjee, Professore Paul B. Reinhold di Ingegneria Meccanica e Meccanica presso l’Università di Lehigh e Presidente del dipartimento MEM nel P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Il team sta ancora lavorando sullo stesso problema, ovvero l’integrità strutturale delle capsule di fusione utilizzate nella fusione a confinamento inerziale, e la Real Mayonnaise di Hellmann sta ancora aiutandoci nella ricerca di soluzioni.” 

La maionese aiuta il team agendo come un solido, che inizia a fluire quando è soggetto a un gradiente di pressione. Il problema di Rayleigh-Taylor, un noto problema in fisica, coinvolge il fenomeno che si verifica tra materiali di diversa densità quando i gradienti di densità e pressione sono in direzioni opposte, creando una stratificazione instabile. L’uso della maionese consente di provare possibili soluzioni eliminando la necessità di temperature e condizioni di pressione elevate, che sono estremamente difficili da controllare.

Fusione Fredda senza Temperature Estreme

Un altro recente progresso nella fusione fredda ha riacceso le speranze di ottenere energia pulita senza la necessità di temperature estremamente elevate e plasma, tradizionalmente associate alla fusione nucleare.

Questo sviluppo, a lungo considerato scienza marginale, coinvolge l’uso della scienza dei materiali, metalli rari e processi chimici specifici per raggiungere la fusione nucleare a temperature più basse.

La comunità scientifica aveva precedentemente respinto la fusione fredda a causa dell’incapacità di replicare i primi risultati sperimentali, ma un nuovo studio peer-reviewed pubblicato su Nature suggerisce una possibile via avanti osservando le emissioni di neutroni durante esperimenti con polvere di titanio deuterato sotto cavitazione acustica. Questa scoperta potrebbe aprire la strada a ulteriori ricerche sulla fusione fredda come fonte di energia alternativa valida, offrendo il potenziale per energia pulita e praticamente illimitata.

I risultati dello studio sfidano la credenza di lunga data che la fusione nucleare richieda le condizioni estreme presenti nelle stelle, come temperature di milioni di gradi e potenti campi magnetici. Invece, questo nuovo approccio esplora il potenziale di raggiungere la fusione attraverso meccanismi diversi, il che potrebbe rivoluzionare il panorama energetico fornendo un metodo più accessibile e meno dispendioso di risorse per generare energia.

Se avrà successo, la fusione fredda potrebbe aggirare l’enorme infrastruttura e l’energia richiesta dai metodi tradizionali di fusione, diventando un punto di svolta nella ricerca di soluzioni energetiche sostenibili e pulite.

IA: Un Punto di Svolta nella Stabilizzazione delle Reazioni di Fusione Nucleare

Con crescente sofisticazione e capacità in espansione, l’IA sta rivoluzionando il campo della fusione nucleare prevedendo e prevenendo le instabilità del plasma, che storicamente hanno ostacolato la sostenibilità delle reazioni di fusione.

I ricercatori della Princeton University e del Princeton Plasma Physics Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un modello di IA capace di prevedere le interruzioni del plasma, come le instabilità di tipo tearing, fino a 300 millisecondi prima che si manifestino. Questo permette all’IA di effettuare aggiustamenti in tempo reale ai parametri del reattore, mantenendo la stabilità del plasma e impedendo che la reazione termini prematuramente.

Il potere predittivo dell’IA deriva dal suo addestramento su dati di esperimenti passati, consentendole di rispondere dinamicamente a potenziali instabilità in modi che i modelli tradizionali basati sulla fisica non possono.

Poiché il plasma è intrinsecamente instabile e complesso, mantenere la sua stabilità è stata una sfida significativa nel sostenere la fusione nucleare. Tradizionalmente, i metodi si sono concentrati sul mitigare le instabilità solo dopo che hanno iniziato a disturbare il plasma, spesso troppo tardi per salvare la reazione.

Sfruttando la capacità dell’IA di prevedere e contrastare preventivamente queste instabilità, il processo di fusione diventa più stabile e praticabile, avvicinandosi alla realizzazione di energia di fusione pratica e sostenibile. Questo progresso non solo migliora le prospettive della fusione come fonte di energia illimitata, ma sottolinea anche il ruolo cruciale che l’IA sta svolgendo nel superare gli ostacoli più difficili nella ricerca sulla fusione.

Cosa Riserva il Futuro?

Il futuro vedrà le aziende ideare soluzioni di energia da fusione che ottimizzano lo spazio e l’uso delle risorse in termini di energia e costo. Secondo Omar Hurricane, responsabile di programma al Lawrence Livermore National Laboratory, dove si trova il National Ignition Facility:

“La fusione sembra molto più plausibile ora rispetto a dieci anni fa come fonte di energia futura.” 

Nel 2023, gli scienziati hanno fatto una svolta quando hanno creato una reazione nucleare che poteva generare più energia di quanta ne consumasse. Secondo i rapporti, l’esperimento ha impiegato un insieme di 192 laser per erogare 2,05 megajoule di energia su un cilindro d’oro grande come un pisello contenente un pellet congelato degli isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio.

L’energia era così intensa da far collassare la capsula. La temperatura raggiunta poteva essere eguagliata solo da stelle e armi termonucleari. In termini più specifici, come suggerito dal laboratorio, sono stati rilasciati 3,15 megajoule di energia—circa il 54% in più rispetto all’energia impiegata nella reazione e più del doppio del precedente record di 1,3 megajoule.

Molti ricercatori credevano che i risultati dell’esperimento avessero un grande potenziale per il futuro. Secondo Michael Campbell, ex direttore del laboratorio di fusione dell’Università di Rochester a New York e primo sostenitore del NIF presso il Lawrence Livermore Lab, la svolta potrebbe aumentare la fiducia nella promessa dell’energia da fusione laser e aprire infine la porta a un nuovo programma focalizzato sulle applicazioni energetiche. Kim Bundil, direttore del Lawrence Livermore Laboratory, credeva fosse il “blocco fondamentale di un progetto di energia da fusione a confinamento inerziale.”

La prova e il suo successo hanno anche dimostrato la necessità di molti sviluppi futuri che renderebbero il processo più robusto. Ad esempio, affinché la prova diventi un processo praticabile, l’energia rilasciata rispetto all’energia impiegata per produrre gli impulsi laser deve crescere di almeno due ordini di grandezza.

Il futuro dovrà anche vedere un aumento drammatico della velocità con cui i laser possono produrre gli impulsi e di quanto rapidamente possono svuotare la camera di destinazione per prepararla a un altro ciclo.

Mentre questi sforzi continueranno nei prossimi giorni, concluderemo la discussione di oggi menzionando un altro progetto vitale in questo ambito: il progetto ITER da 22 miliardi di dollari, una collaborazione tra Cina, Unione Europea, India, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti. Il progetto mira a raggiungere una fusione autosostenibile, in cui l’energia della fusione produrrebbe più fusione.

Lentamente e costantemente, man mano che gli esperimenti attuali giungono alla loro conclusione, l’energia da fusione diventerà più conveniente, ottimizzata e pronta per una più ampia adozione di massa.