Reattori a fusione

Quando 1 + 1 non fa due e la differenza è energia

Prima di ricominciare con la nostra mini serie nucleare, facciamo un brevissimo riassunto delle puntate precedenti, o meglio cerchiamo di ricapitolare tutto quello che abbiamo imparato e che ci servirà per capire il funzionamento della fusione nucleare.

Nella prima puntata (Un nucleo pieno di energia) abbiamo scoperto che esiste una forza - detta nucleare forte - che tiene insieme protoni e neutroni all'interno del nucleo. Come dice il nome questa interazione è molto forte, molto più forte della repulsione elettrostatica, ma ha un raggio d'azione parecchio limitato il che la rende quasi inesistente non appena due nucleoni si allontano. Sempre nella prima puntata abbiamo fatto la meravigliosa quanto inattesa scoperta che quando singoli protoni e neutroni si legano a formare un nucleo, allora parte della loro massa complessiva si trasforma in energia, proprio quell'energia che li tiene legati insieme.

In conclusione della prima puntata e per tutta la seconda (Reattori a fissione) ci siamo occupati della possibilità di spremere energia da un nucleo grande spaccandolo in due nuclei più piccoli. Questa è una conseguenza diretta di un altro grafico fondamentale di cui abbiamo già parlato, l'energia di legame per nucleone; l'altra conseguenza è che si può guadagnare energia unendo due nuclei piccoli ovvero attraverso la fusione nucleare.

Siamo vivi grazie alla fusione

È proprio il caso di dire che la vita sulla Terra non esisterebbe se non ci fosse la fusione nucleare. Il nostro Sole, come tutte le altre stelle che riempiono il cielo, sono delle enormi centrali nucleari a fusione dove nuclei leggeri sono fusi insieme per formare nuclei più pesanti, dall'idrogeno fino agli isotopi di ferro e nickel.

Il fatto che la generazione di energia attraverso la fusione sia così tanto comune in natura non la rende una tecnica semplice. Pensate che fin dal 1950 sono in corso vasti studi per realizzare macchine in grado di controllare e sostenere una reazione di fusione con un bilancio netto e positivo di energia e ancora non ci siamo arrivati. L'unica consolazione è che gli scienziati non si sono mica arresi e prima della fine del 2020 avranno costruito nel sud della Francia, grazie ad una collaborazione scientifica planetaria, ITER, il più grande reattore a confinamento magnetico - vedremo nel seguito cosa significa - che sarà in grado di sostenere per un centinaio di secondi una fusione termonucleare. Da qui ad un reattore in grado di produrre efficacemente e in sicurezza energia elettrica, la strada è ancora lunga, ma non per questo ci dobbiamo arrendere.

Ma perché la fusione è così difficile?

Comparata alla fusione, la fissione nucleare è un gioco da ragazzi. Vi ricordate come funzionava un reattore a fissione? Bastava prendere una certa quantità minima di combustibile, sparargli contro un po' di neutroni per accenderlo e poi semplicemente controllare la temperatura attraverso il numero di neutroni contenuti nel nocciolo. La fusione è intrinsecamente più complessa. Ci sono sostanzialmente due motivi fisici che la rendono tale: la repulsione Coulombiana e la necessità del confinamento. Vediamo nel dettaglio di cosa stiamo parlando.

Abbattere il muro di Coulomb

Sparare un neutrone contro un nucleo è relativamente facile, perché il neutrone non ha nessuna carica elettrica e quindi una volta indirizzato verso il nucleo questo continuerà il suo viaggio indisturbato fino alla meta. Non è così facile sparare un protone contro un nucleo. Immaginiamo per esempio di voler far urtare uno contro l'altro due nuclei di idrogeno - ovvero due protoni. Questi hanno entrambi una carica elettrica positiva e quindi sono soggetti ad una forza di repulsione che cresce con il diminuire della distanza. In parole povere signfica che se consideriamo un protone fermo (bersaglio) e l'altro in moto (proiettile), allora vedremo il proiettile decelerare mentre si avvicina al bersaglio come se si trovasse a percorrere una strada in salita. Se la velocità iniziale del proiettile (o la sua energia cinetica) non è sufficientemente alta, allora vedremo il proiettile fermarsi prima di urtare il bersaglio e cominciare indietreggiare. Quando però l'energia del proiettile è sufficiente a farlo avvicinare ad una distanza "nucleare" - il diametro di un nucleo - allora entra in gioco la forza nucleare forte, che è attrattiva, e risucchia il proiettile nel bersaglio.

Ecco spiegato il primo inghippo, il fatto che la fusione avviene tra elementi carichi richiede di superare la barriera elettrostatica e di conseguenza i reagenti devono avere una velocità minima parecchio elevata perché questo avvenga. Un metodo per aumentare la velocità media delle particelle è quello di alzare la temperatura (fusione termonucleare): riscaldando i reagenti ad una temperatura di qualche milione di gradi si possono osservare reazioni di fusione con rilascio di energia.

Confinare la patata bollente

Per superare la barriera Coulombiana abbiamo bisogno di riscaldare il nostro combustile a temperature elevatissime fino a trasformarlo in un plasma altamente ionizzato. Per far questo dobbiamo necessariamente investire una certa quantità - non trascurabile - di energia, ma lo facciamo nella speranza che poi il plasma si auto-sostenga, ovvero che gli eventi di fusione rilascino l'energia sufficiente per mantenere la temperatura giusta e bilanciare eventuali perdite. In realtà vorremmo che l'energia prodotta sia addirittura maggiore perché vorremmo poterci guadagnare qualcosa da questo gioco.

Il problema è che questo plasma è davvero un'enorme patata bollente che tende ad espandersi e a raffreddarsi ed è facile immaginare che mantenere stabile e compatto questo mostro non sia una cosa facile. In natura, nelle stelle, il confinamento è gravitazionale: la massa del plasma è tale da esercitare su sé stesso una forza attrattiva da tenerlo ben compatto e coeso. Purtroppo non è possibile realizzare una situazione situazione sulla terra perché dovremmo ammassare una quantità di idrogeno pari a due o tre volte la massa di Giove!

L'altra possibilità è quella di sfruttare il fatto che questo plasma è carico elettricamente: in questo modo possiamo costruire una sorta di cella di isolamento con mura magnetiche in cui rinchiudere il plasma. Questo è il principio alla base del confinamento magnetico implementato nei moderni reattori Tokamak.

E poi? Cerchiamo il combustibile...

Ammesso che siamo stati in grado di superare questi due primi ostacoli non da poco, possiamo pensare di andare avanti nella nostra ricerca di energia. Come prima cosa dobbiamo capire quale sia il migliore combustibile, ovvero quello con la maggior resa. Dopo anni di studio, gli scienziati sono giunti alla conclusione che la miglior reazione è quella che fonde insieme un nucleo di deuterio con uno di trizio per ottenerne uno di elio e un neutrone veloce. Sia il deuterio sia il trizio sono isotopi dell'idrogeno, ovvero nuclei con 1 protone e, 1 o 2 neutroni rispettivamente. Il fatto che ogni evento di fusione rilascia milioni di volte più energia che la combustione chimica fa si che la quantità di combustibile da "bruciare" sia minima. Per fare un esempio e dare un po' di numeri: una centrale da 1 GW a carbone, brucia circa 2.7 milioni di tonnellate di carbone in un anno; le centrali a fusione che eventualmente andremo a costruire dal 2050 in avanti avranno la stessa potenza bruciando solo 250 kg di combustibile.

Di dueterio ne abbiamo in abbondanza. Questo è un isotopo stabile, non ci sono problemi di radioattività e il mare ne è pieno: in ogni litro di acqua marina ci sono 33 milligrammi di deuterio. Non si può dire la stessa cosa per il trizio. Questo infatti è un isotopo radioattivo con un'emivita breve e che è presente in natura solo in tracce - solo 20 kg in tutto il mondo -, ma si può produrre o all'interno dei reattori a fissione o proprio nei reattori a fusionie Infatti è possibile utilizzare alcuni dei neutroni prodotti nella fusione per creare nuovo di trizio da riusare come carburante.

E le scorie?

Quali scorie? Questo è il bello della fusione... Non ci sono scorie, non ci sono emissioni di anidride carbonica e di gas serra, non ci sono sostanze tossiche né inquinanti. Viene prodotta una certa quantità di elio, un gas nobile e inerte che non costituisce nessun problema per l'ambiente. C'è un minimo rischio radiologico, perché mentre in operazione vengono creati parecchi neutroni veloci, ma questi sono totalmente fermati nelle pareti del reattore senza alcun pericolo per l'ambiente. E' possibile che alcuni materiali che compongono il reattore stesso vengano attivati dal flusso di neutroni e per cui è necessario progettarli in modo da utilizzare materiali che in caso di attivazione abbiano vita media molto breve in modo da poterne disporre in modo semplice.

Ma se si fonde tutto?

Anche in questo caso possiamo stare molto tranquilli. Qualora per qualsiasi ragione si dovesse perdere il controllo del plasma ad altissima temperatura, questo perde di stabilità e si raffredda in modo autonomo e quasi istantaneamente. Quindi non ci sono rischi strutturali. Anzi si fa talmente fatica a tenere il plasma confinato e caldo che il problema è piuttosto il contrario.

Perfetto, ma allora cosa stiamo aspettando?

Ottima domanda! La risposta è che questa fonte di energia pulitissima, praticamente inesauribile e molto economica, ancora non è pronta per essere sfruttata. Questi numeri dovrebbero farvi capire quanto ancora sia lunga la strada da percorrere:

• la durata massima di un plasma caldo è di 6 minuti e 30 secondi ed è stata ottenuta al JET (Joint European Torus). Ovviamente vorremmo un plasma che duri indefinitivamente, o almeno fin tanto che non siamo noi a spegnerlo. Sei minuti e mezzo di accensione sono un po' pochini per una centrale, non credete?
• il breakeven è ancora lontano: al momento il miglior record spetta ancora al JET e si è ottenuta un'energia pari al 70% di quella utilizzata per far partire la reazione. Ovvero si spende 100 per guadagnare 70... non siamo dei gran affaristi.

Ma non è sicuramente il momento di mollare: quando ITER sarà pronto, sarà in grado di fornire 10 volte l'energia necessaria per operarlo. E questo non è che un prototipo di quelle che saranno le centrali del prossimo secolo!

C'è da spostare una bombola

Uno dei vantaggi di lavorare in un grosso laboratorio è che ogni giorno ci si può divertire a fare qualcosa di nuovo; altro vantaggio considerevole è che specialmente quando si hanno delle mansioni potenzialmente pericolose si deve seguire un addestramento specifico. Tutto questo per dirvi che oggi ho partecipato, insieme a due miei colleghi, ad un corso organizzato da Air Liquide, su come maneggiare e trasportare le bombole ed effettuare i travasi di liquidi criogenici.

Direte voi: ma a cosa ti serve? In realtà da quando sono qui al JRC ho dovuto imparare come fare tutte queste cose e un bel corso serio con tanto di prove sul campo era proprio quello che ci voleva. Nel nostro caso specifico usiamo abitualmente 4 tipologie di gas come sorgente per le particelle che andiamo ad accelerare: questi sono idrogeno, deuterio, elio 3 e elio 4. Queste bombole sono molto piccole, ma hanno un costo spropositato vista la loro elevatissima purezza, in particolare quella di elio 3 (l'isotopo con 2 protoni e 1 solo neutrone) molto raro in natura (1 parte per milione circa). Oltre a queste abbiamo bombole "industriali" - ovvero di purezza standard e composizione isotopica naturale - di elio che utilizziamo nella ricerca delle fughe negli impianti sotto vuoto e come gas refrigerante per abbassare la temperatura dei bersagli sottoposti ad irraggiamento.

In più abbiamo parecchi rivelatori al germanio che vanno mantenuti alla temperatura dell'azoto liquido (circa -200 C) per cui dobbiamo costantemente riempire i criostati con gas liquefatto. E' sempre un'esperienza affascinante vedere un gas liquido che inizia a bollire a temperatura ambiente.

In catalogo

Ho ricevuto una lettera raccomandata con tanto di numero di protocollo (vedi copia conforme all'originale nella foto qui accanto) in cui mi si formalmente invitava alla presentazione di un innovativo prodotto sviluppato dall'Università dell'Insubria e che finalmente ha trovato spazio sul catalogo di una importante azienda del settore.

A parte gli scherzi sono veramente molto contento, più che della scherzosa lettera di accompagnamento, del leaflet con la descrizione delle nostre beneamate GPA. Si sono proprio loro, quelle che una volta erano blu e che adesso sono diventate rosse.

Finalmente la meritata ricompensa per il duro lavoro...

Sociologia al GF10

Scusate il disordine, ma scrivo questo post riempindolo con pensieri di getto che senza filtro escono dalla testa per finire sulle dite che schiaffeggiano la tastiera. Se non riuscite a seguirmi nel discorso, tranquilli non siete voi ad essere lenti, sono io ad essere troppo incasinato.

Sto sistemando la cucina dopo cena, già con il morale in cantina. Alla TV finisce Striscia e inizia il GF, il cui tema della serata è ovviamente la rivelazione che Gabriele ha fatto ai membri della casa di essere una lei in procinto di diventare un lui. In pratica, ci ha spiegato che anche in Italia esistono i transessuali, come se nessuno di noi ne avesse mai sentito parlare prima.

Interviene il serafico Alfonso Signorini. Premetto che nella mia personalissima scala delle antipatie questo personaggio si colloca al secondo posto alle spalle dell'irraggiungibile Giacobbo e tamponato dal dietro - non fate della facile ironia - da Alessandro Cecchi Pavone. Dicevo interviene Signorini per dire che la reazione degli altri concorrenti alla rivelazione di Gabriele / Elettra è anormale. L'hanno presa troppo bene, sono troppo tolleranti, troppo santi! Ci deve essere qualcosa di falso perché questa non è l'immagine del nostro Paese.

Oh mio Dio. Illuminato sulla via di Damasco. I concorrenti del GF non sono un campione statisticamente rappresentativo degli Italiani. Adesso, caro Signorini, non vorrei farti una lezione né di sociologia, né tantomeno di statistica... ma ti ci voleva la rivelazione di un trans per farti capire che non tutti i giovani italiani affidano le loro aspettative, le loro speranze e il loro futuro a farsi vedere in mutande mentre oziano in Tv tutto il giorno?

Grazie Gabriele, adesso grazie al tuo outing so - e ne ho la prova - che io non sono rappresentato dai concorrenti della casa. E di questo ne vado fiero!

Predator, l'orologio e gli ispettori

Potrebbe sembrare il titolo di una parodia di qualche film di pseudo fantascienza, invece è il riassunto molto spiccio della mia settimana lavorativa. Settimana, che come ricorderete è cominciata di martedì ed in un attimo è volata via: vuol dire che non ho avuto nemmeno il tempo di pensare se mi stavo annoiando oppure no.

Cominciamo da Predator...

Il programma della settimana prevedeva uno al massimo due giorni completamente dedicati ad una manutenzione straordinaria all'alimentare di uno dei magneti del nostro acceleratore. Questo generatore di corrente (160 ampere!) era da qualche settimana che faceva le bizze e quando meno ce lo aspettavamo si spegneva lasciandoci, come si dice in questi casi, con il naso in mezzo alla faccia! Purtroppo però il problema non era facilmente riproducibile e così indivuarne la causa esatta praticamente impossibile. L'unica soluzione era di prendere il coraggio a due mani e farne una revisione completa sperando di sistemare tutte le magagne.

Dovete sapere che un tale alimentatore ha le dimensioni di un armadio ricolmo di schede elettroniche, transistor di potenza, ventilatori e da un grosso trasformatore variabile trifase vero principe della scena. Farne una revisione completa, significa guardare con occhio attento tutti i più piccoli particolari, stringere tutte le viti che con gli anni si sono allentate, controllare tutte le connessioni e soprattutto rimuovere strati e strati di polvere che nel corso del tempo si sono accumulati un po' ovunque. Appena abbiamo aperto l'armadio ci siamo resi conto che lo spettacolo - orribile - che ci si presentava necessitava sicuramente più di un giornata di duro lavoro: contatti ossidati, un cavo da 35 millimetri quadrati parzialmente fuso, parecchi transistor morti. Insomma un bollettino di guerra.

Ma come capire che si è sistemato proprio tutto? Semplice: si usano gli occhi di Predator. Abbiamo in dotazione uno strumento veramente unico nel suo genere per questo tipo di lavori: una camera a raggi infrarossi che permette di fare un fotografia della temperatura di un oggetto senza doverlo toccare. Se aggiungete che questa macchina fotografica ha la forma di una pistola, c'è un grilletto come comando dell'otturatore ed è anche dotata di un puntatore laser, allora viene spontaneo chiamarla Predator.

Questo trucco funziona perché la temperatura ci dice tanto di un componente elettronico: se un punto è molto più caldo degli altri, allora potrebbe essere necessario controllarlo e cercare di abbassargli la febbre, invece se un componente è molto, troppo freddo, allora potrebbe essere decisamente morto e vale la pena sostituirlo. Ovviamente non ho resistito alla tentazione e mi sono fatto scattare una foto-termica che non appena riuscirò a scaricare da Predator diventerà la mia foto profilo su Facebook.

L'orologio

Giovedì pomeriggio, appena terminato con successo il test finale sull'alimentatore pronti via altro giro altra corsa. Dovete sapere che essendo il ciclotrone una macchina piuttosto pericolosa, dobbiamo garantirne un funzionamento sicuro sia per gli operatori sia per le persone che vivono nelle vicinanze del Centro. Così tutte le apparecchiature potenzialmente pericolose devono essere controllate da un esperto che ne certifica il buon funzionamento secondo i limiti e le prescrizioni imposti dalla legge. Giovedì attendavamo l'esperto di Radiazioni Non Ionizzanti (NIR). Per una macchina in grado di produrre radiazioni fortemente ionizzanti, quelle non ionizzanti potrebbero apparire un problema minore, ma la legge non ammette eccezioni e visto che abbiamo due generatori di radiofrequenza - come quelli usati nelle stazioni radiofoniche, per intenderci - abbiamo l'obbligo di farne controllare il corretto funzionamento.

A questo scopo, esiste uno strumento dalla forma simile a quella di un telecomando con un'antenna sproporzionata sul davanti. Questo è in grado di captare le onde elettromagnetiche come quelle delle trasmissioni radio-tv o dei telefonini e ci dice quanto intense sono. Senza troppa sorpresa, abbiamo scoperto che il nostro ciclotrone, quando è al massimo della potenza emette un campo al più pari a quello di un telefono cellulare, ma solo se si tiene il portone del bunker aperto. Quando lo si chiude, non esce proprio niente.

Se questa non è stata una gran sorpresa, lo è stato guardare il mio orologio dopo aver fatto la misura. Infatti per farla, mi sono dovuto arrampicare sopra al ciclotrone con il magnete da 2 tesla accesso e il risultato è stato che la lancetta del cronografo si è spostata in avanti di 6 secondi e nemmeno il tasto reset la riportava indietro. Per fortuna che in un laboratorio di scienziati seri, magneti da banco non mancano mai e con qualche accorgimento siamo riusciti a riportare la lancetta indietro nel tempo senza creare nessuna rottura nel continuum spazio-temporale.

Gli ispettori

Per concludere in bellezza la settimana, per oggi avevamo in programma un irraggiamento con neutroni termici, ma proprio mentre stavamo facendo il setting del fascio riceviamo un telefonata: occhio che ci sono gli ispettori dell'IAEA, l'Agenzia Internazionale dell'Energia Atomica. Sì avete capito bene, sono gli stessi ispettori che visitano regolarmente gli impianti nucleari in tutti i Paesi del mondo e che sono famosi per le loro ispezioni nei siti nucleari iraniani. Dato che il Centro è un sito nucleare, loro hanno tutto il diritto di presentarsi quando vogliono per verificare che tutto sia in regola e che non ci siano attività illecite in corso.

La loro visita doveva essere una sorpresa, ma non appena si sono presentati al cancello, la voce ha cominciato a spandersi a macchia d'olio e in pochi minuti i laboratori interessati dall'ispezione erano tutti informati e sull'attenti. Noi credavamo volessero verificare lo stato di quei pochi grammi di materiale fissile che conserviamo nella nostra sala di stoccaggio, invece, hanno voluto vedere l'officina calda, dove vengono lavorati i pezzi metallici potenzialmente radioattivi. Valli a capire questi ispettori...

Intensa come settimana vero? E la prossima sarà altrettanto. Anzi fatemi un in bocca al lupo, perché lunedì sarò chiamato a difendere davanti ad una commissione scientifica un piccolo progetto di cui sarò, insieme a due altri giovani colleghi, responsabile... speriamo di portare a casa la pagnotta!

Tagliata di tonno pinna gialla

Bisogna tornare indietro nel tempo fino a circa un anno fa quando il nostro the_real_boss si era offerta volontaria nel gestire una nuova rubrica e presentando una buona ricetta della nostra traduzione culinaria alla settimana. È il problema dei capi... sono sempre troppo impegnati per fare tutto.

Invece io sto seguendo un regime dietetico molto stretto da oltre sei mesi a causa di elevati livelli di colesterolo. Negli ultimi 3 mesi ho dovuto intensificare la dieta rinunciando completamente alla carne - mi è concessa una sola volta alla settimana e solo se bianca. Non avrei mai pensato che una bella bistecca al sangue mi sarebbe mancata così tanto...

Questa mattina - la Commissione Europea festeggia il giorno dei morti con un bel giorno di ferie - sono andato a fare la spesa e tra i banchi del pesce ho trovato un ottimo e fresco filetto di tonno pinna gialla dal tipico colore rosso che chiedeva di essere mangiato. A questo punto mi serviva un buon modo per cucinarlo e così ho trovato un blog con ricette di prima mano che ho accuratamente consultato: il titolo Tagliata di tonno all'aceto balsamico mi ha subito ispirato e mi sono dato ai fornelli.

Come al solito ho fatto qualche variante alla ricetta, giusto per dare sfogo alla mia fantasia, ma il risultato è stato indubbiamente notevole al palato, soprattutto grazie a quel gusto di arancia. L'impressione come potete vedere dalle foto è proprio quella di una bistecca, ma il gusto decisamente quello del tonno fresco e soprattutto i preziosi Omega-3 di cui il nostro pesce nazionale è molto ricco.

Ps. un ringraziamento speciale alla mia Tata che mi cucina sempre succulenti pranzetti tutti i giorni dell'anno!

...

Se avess'io
di Alda Merini

Se avess'io levità di una fanciulla
invece di codesto, torturato,
pesantissimo cuore e conoscessi
la purezza delle acque come fossi
entro raccolta in miti-sacrifici,
spoglierei questa insipida memoria
per immergermi in te, fatto mio uomo.

Io ti debbo i racconti piu fruttuosi
della mia terra che non dà mai spiga.
e ti debbo parole come l'ape
deve miele al suo fiore. Perchè t'amo
caro,da sempre, prima dell'inferno
prima del paradiso, prima ancora
che io fossi buttata nell'argilla
del mio pavido corpo. Amore mio
quanto pesante è adducerti il mio carro
che io guido nel giorno dell'arsura
alle tue mille bocche di ristoro!