Le nuove frontiere della fusione nucleare aneutronica

L’interesse per l’energia da fusione è in aumento oggi in risposta al disperato bisogno del mondo di abbondante energia pulita. Almeno 43 aziende private stanno ora perseguendo l’obiettivo di fondere in modo sicuro due nuclei atomici per formare un nucleo più pesante rilasciando energia. Tuttavia, la reazione standard deuterio-trizio (D-T) al centro dei reattori a fusione comporta una serie di grandi problemi a lungo termine.

Il deuterio e il trizio sono isotopi dell’idrogeno che fondono a temperature più basse e rilasciano più energia rispetto ad altre reazioni. Ma producono anche un flusso di neutroni, rendendo necessarie tecnologie di contenimento complesse (e ancora non perfezionate) per impedire alla radiazione neutronica di distruggere le pareti del reattore, le infrastrutture di supporto e gli esseri viventi vicini.

Questo obbligherà a studiare una serie di combustibili per la fusione più avanzati, o a misure molto innovative per riuscire a superare il problema o a sfruttarlo positivamente.

Una nuova generazione di esperti della fusione anticonformisti mira a risolvere il problema dei neutroni. Il loro approccio è quello di scambiare i combustibili D-T con elementi prontamente disponibili che, una volta fusi, rilasciano energia trasportata da particelle cariche, invece che da neutroni. I sostenitori di questo metodo, la fusione aneutronica, sostengono che i dispositivi alla fine saranno più facili da costruire e più adatti ai sistemi di alimentazione, poiché sarà più facile convertire l’energia delle particelle cariche in elettricità. Producono anche pochi o nessun rifiuto radioattivo.

Fusione idrogeno-boro

TAE Technologies, precedentemente nota come TriAlpha Energy, ha il programma privato di fusione aneutronica più consolidato. La società è stata fondata nel 1998 e, secondo il CEO Michl Binderbauer, il suo capitale attuale ammonta a circa 1,25 miliardi di dollari. L’approccio di TAE prevede di alimentare le sue reazioni con idrogeno e boro, una miscela nota anche come p-B11. Quando fuso, l’idrogeno-boro rilascia tre nuclei di elio-4 caricati positivamente, noti come particelle alfa.

Il progetto TAE confina il plasma – combustibile così caldo che gli elettroni vengono strappati via dagli atomi, formando un gas ionizzato – attraverso una tecnica chiamata configurazione a campo invertito (FRC). In una FRC, il plasma si racchiude principalmente nel proprio campo magnetico, piuttosto che fare affidamento su un campo applicato esternamente.

Il reattore di ricerca lineare cilindrico del TAE, soprannominato Norman, è ricoperto su ciascuna estremità da cannoni al plasma elettromagnetici rivolti verso l’interno, che accelerano gli anelli di plasma in una camera centrale. Lì, gli anelli si combinano per creare un unico plasma cilindrico, stabilizzato da un fascio di atomi neutri proveniente dai lati. Questi raggi riscaldano anche il plasma e gli forniscono combustibile fresco. Il progetto della centrale elettrica di TAE depositerebbe il calore nelle pareti del recipiente di contenimento e lo convertirebbe in vapore per azionare una turbina utilizzando un sistema di conversione termica convenzionale.

“È una bestia superelegante”, afferma Binderbauer. “Nei tipici progetti a confinamento magnetico, circa il 60% del costo della macchina è rappresentato dal costo dei magneti. Se riesci a sfruttare al meglio il tuo campo magnetico con il plasma stesso, avrai un enorme vantaggio economico”.

Ma le FRC si sono storicamente rivelate indisciplinate: se il plasma si comporta male, anche il campo magnetico confinante si disintegra e il plasma si raffredda. Il team di Binderbauer ha trascorso gli ultimi dieci anni alla ricerca di mezzi per stabilizzare il plasma. Negli ultimi anni, l’azienda ha sviluppato metodi e hardware per rimodellare e riposizionare il plasma in tempo reale, sfruttando i progressi nell’intelligenza artificiale e nell’apprendimento automatico.

“Ora abbiamo quella stabilità”, afferma Binderbauer. “Possiamo manipolare queste correnti e mantenerle costanti e stabili. Otteniamo bellissimi campi magnetici, che si comportano esattamente come previsto”.

C’è un altro svantaggio significativo nel bruciare combustibile idrogeno-boro per creare energia di fusione: richiede temperature estreme, più di 3 miliardi di gradi Celsius, 20 o 30 volte più alte delle temperature richieste per una reazione deuterio-trizio. Il pensiero tradizionale di molti fisici è che, a queste temperature, gli elettroni rallenteranno diate così tanto che raffredderanno il plasma più velocemente di quanto possa essere riscaldato.

Binderbauer ribatte che gli elettroni saranno il principale portatore di energia fuori dal plasma, ma la temperatura di quegli elettroni è bloccata da effetti relativistici. “Dagli anni ’90 abbiamo svolto un lavoro estremamente sofisticato e pubblicato una serie di articoli sottoposti a revisione paritaria. Altri hanno misurato queste cose e hanno scoperto che non esiste un raffreddamento radiativo catastrofico che uccida lo stato”.

Puntare su un raro isotopo

Helion energy punta invece ad una fusione basata su un raro isotopo dell’elio, l’elio-3.  Sfortunatamente, l’elio-3 è estremamente raro – rappresenta solo lo 0,0001% dell’elio disponibile sulla Terra – ed è estremamente costoso da produrre. L’elio-3 potrebbe eventualmente essere estratto sulla superficie della Luna, dove si stima ne esistano 1,1 milioni di tonnellate. Ma invece di costruire un’astronave, Helion prevede di produrre l’elio-3 nella sua macchina attraverso reazioni collaterali deuterio-deuterio. Finora, l’azienda ha prodotto solo una quantità molto piccola di elio-3, ma intende utilizzare “un ciclo di combustibile chiuso brevettato ad alta efficienza” per aumentare la produzione di elio-3.

Questa reazione potrebbe essere un passaggio intermedio per quella Deuterio Trizio, quella “Tradizionale” o quella Protone Boro, perché richiede una temperatura inferiore.

Le reazioni D-elio-3 non sono completamente aneutroniche, ma rilasciano solo circa il 5% della loro energia sotto forma di neutroni veloci. Ciò non eliminerà completamente le complicazioni dei danni da radiazioni, ma le ridurrà in modo significativo.

Il dispositivo di Helion, come quello di TAE, sarà un cilindro ricoperto da cannoni al plasma opposti. Invece di tentare di creare una reazione prolungata, le pistole al plasma della macchina pulsano circa una volta al secondo, dice l’azienda, creando una FRC stazionaria al centro e condensando il plasma con un campo magnetico finché non diventa caldo e abbastanza denso da fondersi. Quando l’energia viene rilasciata, il plasma spingerà verso l’esterno contro il campo magnetico, consentendo al sistema di raccogliere l’energia caricata attraverso bobine magnetiche.

Per creare gli impulsi, il dispositivo Helion dipenderà da grandi banchi di condensatori che immagazzineranno ben 50 megajoule di energia e la scaricheranno in meno di un millisecondo, ancora e ancora.

Nonostante questo e altri ostacoli tecnici, Helion ha trovato il suo primo cliente per una centrale elettrica che, secondo le sue previsioni, entrerà in funzione nel 2028. La società ha recentemente concluso un accordo con Microsoft per fornire almeno 50 megawatt di elettricità, sufficienti per una fabbrica o per la produzione di dati. centro, dopo un periodo di accelerazione di un anno.

Molti nella comunità dell’energia da fusione l’hanno liquidata come una trovata pubblicitaria, o nella migliore delle ipotesi come una portata eccessivamente ottimistica per un’azienda che deve ancora dimostrare un guadagno energetico netto dalle sue reazioni. 

La fusione laser al boro di HB11

Il concetto di reattore HB11 con sede in Australia utilizza laser ad alta potenza combinati con confinamento magnetico per fondere idrogeno e boro. L’approccio utilizza impulsi ultracorti di laser di amplificazione a impulsi brevissimi – oggetto del Premio Nobel per la fisica 2018 – per accelerare rapidamente l’idrogeno attraverso un combustibile al boro all’interno di un campo magnetico intrappolante, creando un evento di fusione quando si scontrano.

La fusione secondo la tedesca Marvel

Marvel Fusion, con sede in Germania, sta perseguendo la fusione a confinamento inerziale avviata dal laser utilizzando un laser ad alta energia e combustibile Protone Boro-11 in bersagli nanostrutturati. L’azienda ha recentemente stretto una partnership con la Colorado State University per costruire uno degli impianti laser più potenti al mondo, a Fort Collins,

Sistemi di fusione di Princeton

L’approccio FRC di Princeton Fusion Systems fa uso di deuterio ed elio-3 e utilizza il riscaldamento RF sia per la formazione del FRC che per il riscaldamento del plasma. Utilizzando la tecnologia dei magneti superconduttori, l’esperimento cerca di lavorare su una fusione su piccola scala che dovrebbero portare ad applicazione a bassa emissione di energia con una produzione variabile da 1 a 10 MW che avrebbe come finalità l’utilizzo per sottomarini, unità industrial, mavi spazialli o centrali elettriche urbane. L’Elio 3 necessario alla fusione sarebbe catturato dalla Luna con un sistema di sonde.

Una visione estremamente futuristica della fusione nucleare.