Cosa significa veramente per l'energia la svolta di Fusion Ignition (2023)

• Scienza

Scienziati aLaboratorio Nazionale Lawrence Livermorepassato unimportante pietra miliare della fusionea dicembre, utilizzando 192 laser per innescare una reazione di fusione che ha prodotto più energia di quella utilizzata per innescarla. L'ondata è durata solo per un momento fugace, ma le sue implicazioni durano molto più a lungo.

Il risultato è un punto culminante per la fusione, un campo che ha prodotto armi termonucleari più di 70 anni fa ma ancora nessun reattore in grado di generare energia elettrica. Le sfide scientifiche e ingegneristiche della fusione controllata sono formidabili.

Ma a cosa serve l'esperimentoImpianto di accensione nazionale di LLNL, alias NIF, significa per la scienza e per il sogno di una nuova fonte di energia che alimenterà le nostre case e le nostre auto senza rilasciare anidride carbonica?

In breve, è un grosso problema e va bene applaudire, ma non significa che una rivoluzione dell'energia verde sia imminente. Ci vorranno ancora anni primaprogresso dell'energia da fusioneporta i suoi frutti - probabilmente un decennio o giù di lì - e non è ancora chiaro se la fusione sarà mai abbastanza economica da trasformare radicalmente la nostra rete elettrica. Continuare gli attuali investimenti nel solare e nell'eolico è fondamentale per combattere il cambiamento climatico.

Guarda questo:Come questo laboratorio ha prodotto una storica reazione di fusione nucleare

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(Video) Why THIS Fusion Milestone ISN'T Like The Others...

Le imprese di fusione commerciale hanno applaudito l'esperimento NIF e da allora hanno compiuto progressi graduali.Commonwealth Fusion Systems ha aperto una nuova sedea Devens, Massachusetts, dove prevede di costruire un reattore sperimentale che si collegherà alla rete elettrica.Energia TokamakEGeneral Fusion ha annunciato nuove struttureda costruire vicino a Oxford nel Regno Unito. E, soprattutto, Helion Energy lo ha annunciatoMicrosoft ha accettato di acquistare la sua potenza di fusioneda un impianto chiamato Constellation programmato per andare online nel 2028.

Ecco uno sguardo a cosa è successo e cosa deve ancora venire.

Cos'è la fusione?

La fusione si verifica quando due elementi più leggeri come l'idrogeno o l'elio si fondono in un unico elemento più pesante. Questa reazione nucleare rilascia molta energia, come mostrato dalla più grande fornace a fusione in circolazione, il sole.

Tuttavia, è più difficile che la fusione avvenga sulla Terra, perché i nuclei atomici sono carichi positivamente e quindi si respingono a vicenda. L'enorme massa del sole produce una tremenda pressione che supera quella repulsione, ma sulla Terra sono necessarie altre forze.

Ci sono due approcci generali alla fusione: confinamento inerziale e magnetico. Il confinamento inerziale di solito utilizza i laser per colpire un pellet con molta potenza, innescando un'esplosione che comprime il combustibile di fusione. Questo è il metodo che utilizza NIF.

L'altro approccio utilizza campi magnetici. È più diffuso tra le aziende che cercano di commercializzare l'energia da fusione.

Cosa ha portato a termine l'esperimento al NIF?

Ha superato una soglia critica per la fusione in cui l'energia generata dalla reazione di fusione - 3,15 milioni di joule - ha superato i 2,05 megajoule che i laser hanno pompato per innescare la reazione. I ricercatori di fusione indicano il rapporto tra energia in uscita e energia in ingresso con la lettera Q, e questa è la prima volta che una reazione di fusione ha superato Q = 1.

I reattori a fusione dovranno raggiungere una soglia di Q = 10 prima che la generazione di energia sia pratica. Questo è ciò a cui mirano tutti, incluso un altro enorme progetto finanziato dal governo chiamato ITER in Francia. E i reattori a fusione dovranno raggiungere Q = 10 molto più frequentemente di quanto possa fare NIF.

In un certo senso, è una pietra miliare accademica, un esperimento di fusione che ha spinto per decenni. Ma data la reputazione della fusione di non arrivarci mai, è un'importante prova di ciò che è possibile. Pensaci un po' più attentamente prima di ripetere quell'osservazione sarcastica spesso citata che la fusione è la fonte di energia del futuro e lo sarà sempre.

Cosa significa l'esperimento NIF per l'energia verde?

Non una quantità enorme, per alcuni motivi. Per prima cosa, la maggior parte dei progetti di energia da fusione commerciale utilizza varie forme di confinamento magnetico, non l'approccio basato sul laser di NIF, quindi le sfide ingegneristiche sono diverse. Dall'altro, NIF è un gigantesco progetto di laboratorio nazionale da 3,5 miliardi di dollari finanziato per la ricerca sulle armi nucleari, non un progetto progettato per produrre energia affidabile per la rete al costo più competitivo.

"Non aspettarti che i futuri impianti di fusione assomiglino a NIF",ha detto il ricercatore di Princeton Wilson Ricksin un tweet. Enormi inefficienze nei laser di NIF e nella conversione del calore di fusione in energia elettrica significano che il suo design è intrinsecamente impraticabile. In confronto, "la fusione a confinamento magnetico ha delle vere promesse”, ha twittato.

Abbassare il costo della fusione è fondamentale per il suo successo poiché dovrà competere con alternative a zero emissioni di carbonio come gli odierni reattori nucleari a fissione che possono generare una fornitura costante di energia e rinnovabili come l'eolico e il solare che sono più economici ma intermittenti.

"Il primo concorrente di Fusion è la fissione," i ricercatori delLaboratorio di fisica del plasma di Princetonconcluso in anDocumento di ricerca di ottobre, non ancora peer reviewed, che valuta le prospettive della fusione sulla rete elettrica. Si aspettano che se gli alti costi della fusione possono essere ridotti abbastanza, potrebbe sostituire la necessità di futuri impianti di fissione e, se ulteriormente abbassati, potrebbe anche competere con la combinazione di solare e stoccaggio di energia.

NIF è un sito grande e complicato. Se le centrali elettriche a fusione possono essere costruite in unità più economiche e più piccole che sono più simili a qualcosa che esce da una linea di fabbrica, i costi di produzione dovrebbero diminuire. Questo grazie a un fenomeno chiamato Legge di Wright, la curva dell'esperienza o curva di apprendimento, che ha costantemente abbassato i costi del solare e dell'eolico. Più grande e personalizzato è un impianto di fusione, minori saranno i costi e meno competitiva sarà la fusione.

Ci sono almeno alcuni benefici meno diretti dai risultati del NIF?

SÌ. Gli scienziati potrebbero trarre un certo vantaggio dall'esperimento NIF aggiornando i modelli di fisica della fusione per tenere conto del fatto che fornisce il proprio calore invece di affidarsi a fonti esterne, ha affermato Andrew Holland, amministratore delegato delAssociazione dell'industria della fusione, un gruppo di difesa del settore.

E anche l'attenzione potrebbe aiutare, soprattutto dato lo scetticismo di lunga data sull'energia da fusione.

Tecnologie TAEIl CEO Michl Binderbauer ha definito il risultato di NIF "un enorme trampolino di lancio verso l'alba dell'era della fusione" e ha affermato che è un'importante dimostrazione che l'energia da fusione è davvero plausibile.

Anche gli investitori se ne sono accorti. Download delRelazione annuale della Fusion Industry Association, che descrive in dettaglio i 4,8 miliardi di dollari di investimenti in capitale di rischio nelle startup di energia da fusione, decuplicati da quando è stato annunciato il raggiungimento del NIF, ha affermato Holland. Molti di coloro che lo richiedono provengono da società di investimento, ha aggiunto.

Come funziona la fusione al NIF?

Il NIF innesca la fusione utilizzando 192 potenti laser a infrarossi con un livello di energia combinato di 4 megajoule, più o meno lo stesso di un camion da due tonnellate che viaggia a 100 miglia all'ora. Questo viene convertito prima in 2 megajoule di luce ultravioletta, poi in raggi X che colpiscono una pallina di combustibile per fusione delle dimensioni di un granello di pepe.

Gli intensi raggi X fanno esplodere in modo esplosivo lo strato esterno del pellet, comprimendo l'interno del pellet e innescando la fusione. Il calore di quella fusione sostiene la reazione fino a quando non esaurisce il carburante o diventa sbilenco e vacilla.

Nuclei? Idrogeno? Raggiungimi sulla fisica atomica, per favore

Sicuro! Ecco un rapido ripasso.

Tutto sulla Terra è fatto di minuscoli atomi, ciascuno costituito da un nucleo centrale e una nuvola di elettroni caricati negativamente. Il nucleo è formato da neutroni e protoni caricati positivamente. Maggiore è il numero di protoni nel nucleo, più pesante è l'elemento.

L'idrogeno di solito ha un protone e un elettrone. Una varietà insolita chiamata deuterio ha anche un neutrone, e usando reattori nucleari o reattori a fusione, puoi creare una terza varietà chiamata trizio con due neutroni.

Le reazioni chimiche, come la ruggine del ferro o la combustione del legno, si verificano quando quelle cariche positive ed elettriche fanno interagire gli atomi. In confronto, le reazioni nucleari si verificano quando i nuclei degli atomi si dividono o si uniscono. Qui sulla Terra, è più difficile schierare le forze necessarie per far avvenire le reazioni nucleari, motivo per cui è più facile costruire un motore a vapore che una bomba nucleare.

Quando riscaldi abbastanza gli atomi, diventano così energici che gli elettroni vengono strappati via. La nuvola risultante di elettroni caricati negativamente e nuclei caricati positivamente è chiamata plasma, uno stato della materia più esotico rispetto ai solidi, liquidi e gas a cui siamo abituati a temperatura ambiente qui sulla Terra.

Il sole è fatto di plasma, e anche i reattori a fusione ne hanno bisogno per far rimbalzare quei nuclei di idrogeno abbastanza energicamente. Una comoda proprietà dei plasmi è che le loro particelle caricate elettricamente possono essere manipolate con campi magnetici. Questo è fondamentale per molti progetti di reattori a fusione.

Cosa usi come combustibile per la fusione?

NIF e la maggior parte degli altri progetti di fusione utilizzano le due versioni pesanti di idrogeno, deuterio e trizio, chiamate carburante DT. Ma ci sono altre opzioni, tra cui idrogeno-boro e deuterio-elio-3, una forma di elio con un solo neutrone invece dei due più comuni.

Per far fondere deuterio e trizio, è necessario riscaldare un plasma fino a una temperatura enorme di circa 100 milioni di gradi Celsius (180 milioni di gradi Fahrenheit). Altre reazioni sono ancora più elevate, ad esempio circa un miliardo di gradi per la fusione idrogeno-boro.

Il deuterio può essere filtrato dall'acqua ordinaria, ma il trizio, che decade radioattivamente in pochi anni, è più difficile da trovare. Può essere prodotto nei reattori nucleari e, in linea di principio, anche nei futuri reattori a fusione. Gestire il trizio è complesso, però, perché viene utilizzato per potenziare le esplosioni di armi nucleari e quindi è attentamente controllato.

Come si trasforma quella reazione di fusione in energia?

La reazione di fusione deuterio-trizio produce neutroni solitari in rapido movimento. La loro energia cinetica può essere catturata in una "coperta" di liquido che circonda la camera del reattore a fusione e si riscalda quando i neutroni si scontrano.

Quel calore viene poi trasferito all'acqua che bolle e alimenta le tradizionali turbine a vapore. Quella tecnologia è ben nota, ma nessuno l'ha ancora collegata a un reattore a fusione. In effetti, la prima generazione di reattori di potenza a fusione in costruzione oggi è progettata per superare Q=1, ma non per catturare energia. Ciò attenderà gli impianti pilota che dovrebbero arrivare nella prossima ondata di sviluppo.

Il lavoro sulla fusione è finanziato dal governo o dal settore privato?

Entrambi. Il NIF è finanziato dal programma di armi nucleari del governo degli Stati Uniti. Il finanziamento del governo paga anche per ilToro europeo comune (JET)nel Regno Unito eITERin Francia, entrambi più strettamente allineati con l'obiettivo della generazione di energia da fusione.

Ma sempre più l'energia da fusione è finanziata privatamente. Gli investitori hanno versato un totale di 4,8 miliardi di dollari in startup di energia da fusione, di cui 2,8 miliardi di dollari sono arrivati ​​nell'ultimo anno, secondo il rapporto annuale della Fusion Industry Association pubblicato all'inizio del 2022. La maggior parte è andata a Commonwealth Fusion Systems, una startup nata dal MIT Eha raccolto più di 1,8 miliardi di dollariin un round di finanziamento nel 2021.

Il governo sta ora aiutando anche il settore privato. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha annunciato un programma Milestone che fornisce fino a50 milioni di dollari per costruire impianti pilota per l'energia da fusione. ILAmministrazione Biden, sostenitrice della fusione, ha detto a novembre chel'energia da fusione è uno dei cinque approcci chiavedimezzare le emissioni di carbonio entro il 2030 e raggiungere zero emissioni nette entro il 2050.

"Lo zio Sam sta diventando serio", ha detto Holland della Fusion Industry Association. Il risultato di NIF è "un momento di passaggio della torcia, in cui si passa dalla scienza e dai laboratori nazionali al settore commerciale".

In che modo la fusione è diversa dalla fissione?

La fissione, che alimenta gli odierni reattori nucleari, è l'opposto della fusione. Nella fissione, elementi pesanti come l'uranio si dividono in elementi più leggeri, rilasciando energia nel processo.

Gli esseri umani sono stati in grado di ottenere la fusione per decenni con armi termonucleari. Questi progetti fanno sbattere insieme materiale come l'uranio o il plutonio per innescare un'esplosione di fissione, e ciò fornisce l'enorme energia necessaria per avviare la reazione di fusione secondaria e più potente.

Nelle bombe il processo avviene in una frazione di secondo, ma per la produzione di energia la fusione deve essere controllata e sostenuta.

I reattori a fusione creano scorie radioattive?

Sì, generalmente, ma non è così problematico come con i reattori a fissione. Per prima cosa, la maggior parte delle emissioni radioattive sono particelle alfa di breve durata - nuclei di elio con una coppia di protoni e una coppia di neutroni - che vengono facilmente bloccate. I neutroni in rapido movimento possono scontrarsi con altri materiali e creare altri materiali radioattivi.

L'emissione di neutroni dei reattori a fusione generalmente degraderà i componenti, richiedendo sostituzioni periodiche che potrebbero richiedere tempi di inattività della durata di forse pochi mesi ogni pochi anni. Tuttavia, è molto più facile da gestire rispetto alle scorie nucleari di alto livello delle centrali elettriche a fissione.

La fusione idrogeno-boro è più difficile da ottenere rispetto alla fusione deuterio-trizio, ma parte del suo fascino è che non produce neutroni e materiali radioattivi associati. L'azienda più importante che persegue questo approccio è TAE Technologies.

Quali sono i rischi per la sicurezza dell'energia da fusione?

Le centrali elettriche a fusione non hanno i rischi di fusione che hanno causato problemi con i reattori a fissione come i siti di Fukushima e Chernobyl. Quando una reazione di fusione va storta, svanisce.

Ma ci sono ancora problemi operativi significativi che vedrai nei principali siti industriali, tra cui molta energia elettrica e vapore ad alta pressione. In altre parole, i grandi problemi sono più simili a quelli che trovereste in un sito industriale che in una delle odierne centrali nucleari a fissione.

Quindi ci sono vantaggi reali nella fusione. NIF aiuta a dimostrare che c'è un futuro per l'energia da fusione. Ma c'è ancora molta strada da fare.