Come misurare la potenza effettiva della Fusione Nucleare? Team legato al CNR risolve il problema

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Istituto di Scienza e Tecnologia del Plasma del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Istp), con sede a Milano, contribuisce in modo significativo a risolvere una delle maggiori sfide legate all’utilizzo dell’energia nucleare: la misurazione della potenza raggiunta nei nuovi reattori a fusione basati sulla reazione deuterio-trizio.

Ad oggi, l’unica tecnica di misurazione diretta della potenza di fusione utilizzata nei reattori a confinamento magnetico consiste nel “contare” il numero di neutroni liberi generati dalla fusione dei due isotopi di idrogeno – il deuterio e il trizio – più comunemente utilizzati come combustibile per la reazione.  Il conteggio assoluto di questi neutroni energetici fornisce una misura diretta del tasso di reazioni di fusione. Tuttavia, questa tecnica presenta diverse difficoltà: l’emissione e il trasporto di neutroni da una sorgente estesa come il tokamak, e la loro interazione con i materiali del reattore, richiedono l’uso di complicati codici di simulazione, nonché lunghe e costose campagne di calibrazione per validare i codici. Insomma il processo è complicato e discutibile.

Processo di Fusione (da Nuclear Power)

Oggi, lo studio a guida italiana – condotto dal Cnr-Istp in collaborazione con i Dipartimenti di Fisica dell’Università di Milano-Bicocca e dell’Università di Milano, il centro di ricerca ENEA di Frascati e altre istituzioni europee nell’ambito del progetto “GETART” – individua nei raggi gamma emessi dal decadimento dell’elio-5 un metodo nuovo e alternativo per misurare tale potenza. Lo studio è oggetto di due articoli scientifici pubblicati su Physical Review C e Physical Review Letters.

“Il nuovo metodo sviluppato si basa sulla misurazione assoluta di due raggi gamma con energie di circa 13 MeV e 17 MeV, emessi nel decadimento dell’elio-5: da questa misurazione, mai effettuata prima con sufficiente accuratezza, è stato possibile determinare le energie e le intensità relative con cui i due raggi gamma vengono emessi. Questo processo di emissione di raggi gamma ha una probabilità relativa (chiamata branching ratio) molto più bassa di quella dell’emissione di neutroni a 14 MeV“, spiega Marica Rebai, ricercatrice del Cnr-Istp e prima autrice dell’articolo pubblicato su Physical Review C.

Andrea Dal Molin e Davide Rigamonti sono i primi autori del successivo articolo pubblicato su Physical Review Letters: “Questo risultato ci ha permesso di determinare, in un secondo studio, il rapporto di ramificazione dell’emissione di raggi gamma rispetto al decadimento dei neutroni, che è di uno ogni 42.000 neutroni da 14 MeV prodotti, aprendo così la strada all’uso della misura assoluta dei raggi gamma come nuovo metodo alternativo e complementare alle misure di neutroni per determinare la potenza raggiunta nei nuovi reattori a fusione basati sulla reazione deuterio-trizio, come ITER e SPARC”, aggiungono.

Secondo il coordinatore del progetto, Marco Tardocchi, dirigente di ricerca del Cnr-Istp: “Finora, l’assenza di un metodo diretto e alternativo al conteggio assoluto dei neutroni ha rappresentato un ostacolo alla validazione indipendente dei risultati ottenuti dagli esperimenti in corso e all’autorizzazione di futuri impianti commerciali. Questo tipo di misura basata sul conteggio assoluto dei raggi gamma rappresenta l’unica tecnica possibile anche in vista dell’utilizzo di futuri reattori basati su combustibili alternativi che non producono neutroni, ad esempio quelli basati sulla fusione di deuterio ed elio-3 o di protoni e boro-11″.

L’ottimizzazione di questa misura è stata effettuata in via preliminare presso il generatore di neutroni ENEA “Frascati Neutron Generator” (FNG), uno dei pochi al mondo disponibili per la ricerca sulla fusione e per altri settori applicativi, tra cui l’aerospaziale, l’automotive, la fisica e i rivelatori di particelle. Interamente progettato e costruito dall’ENEA presso il Centro Ricerche di Frascati, FNG è la più potente sorgente di neutroni da 14 MeV in Europa.

Gli esperimenti sono stati condotti presso l’impianto Joint European Torus (JET) nel Regno Unito, il più grande esperimento di fusione nucleare al mondo, durante la campagna sperimentale denominata DTE2, e sono stati in parte finanziati dal consorzio europeo EUROfusion, di cui l’Italia è partner.

A questo punto abbiamo un sistema efficace per rilevare i processi di fusione deuterio-trizio, con l’ottenimento di elio 5 e quindi il suo decadimento in elio 4 e neutrone. Si tratta ora di riuscire a utilizzare questo metodo per misurare un processo di fusione con notevole vantaggio energetico. Questo sarà il momento che cambierà la storia dell’energia. Sarebbe poi interessante sapere se questo metodo può misurare anche le fusioni LENR, per sapere se effettivamente avvengono come recentemente affermato in India.