Energia elettrica dai nuclei delle stelle
Tra le varie idee per la produzione innovativa di energia, negli ultimi anni la ricerca ha elaborato una proposta che si ispira alle stelle e per la cui realizzazione molti centri di ricerca si sono già messi all’opera. Si tratta di una ricerca che permetterà a processi di alta energia di fisica nucleare stellare di entrare nella nostra vita quotidiana.
Come entrano in gioco le stelle?
Le stelle producono energia grazie alle cosiddette reazioni termonucleari. Gli elementi che costituiscono il nucleo di questi corpi celesti si trovano in condizioni di temperatura e pressione così elevate da permettere infatti che si verifichino le reazioni nucleari di fusione: lo stato in cui si trova la materia prende il nome di plasma, una sorta di gas composto da particelle cariche (elettroni e nuclei), e si può trovare confinato all’interno del nucleo stellare grazie all’intensa forza di gravità generata dalla massa della stella. I nuclei atomici coinvolti in condizioni standard non potrebbero essere avvicinati per effetto della repulsione elettrostatica, in quanto carichi positivamente e, come tutti sappiamo, solo gli opposti si attraggono; in questa situazione particolare invece, possiedono un’energia sufficiente per poter vincere le forze di repulsione e fondersi, formando così un unico nucleo più pesante. In particolare, i protagonisti di queste reazioni nelle stelle sono i nuclei di Idrogeno, il più leggero della tavola periodica, che grazie alla fusione può generare nuclei di Elio, poco più pesanti. Ma la cosa interessante di queste reazioni è ancora un’altra: insieme al nucleo (relativamente) pesante viene prodotta un’enorme quantità di energia termica, radiazione elettromagnetica, flusso di particelle (che nel caso del Sole rappresenta il cosiddetto vento solare) e neutrini.
La grande sfida è quindi quella di riuscire a ricreare una stella in miniatura sulla Terra, utilizzando appositi strumenti che permettano di generare un plasma in cui l’Idrogeno possa fondere formando nuclei di Elio e producendo queste grandi quantità di energia che possono essere utilizzate nella nostra quotidianità. Si tratterebbe di una forma di energia le cui materie prime sarebbero molto facili da procurare, in quanto rappresentate dai soli nuclei di Idrogeno, e soprattutto pulita, dato che l’unico prodotto di scarto sarebbero nuclei leggeri e stabili come l’Elio, a differenza della più controversa fissione. La fissione nucleare, infatti, è basata su un meccanismo opposto alla fusione, ovvero sulla rottura di un atomo molto pesante in due frammenti, processo in grado di produrre anch’esso grandi quantità di energia, maggiori di quelle prodotte da un ciclo di fusione, ma anche scarti costituiti da nuclei instabili e radioattivi, pericolosi per l’ambiente e la nostra salute.
Come possiamo portare la fusione sulla Terra?
Perché la fusione si verifichi è necessario che i nuclei coinvolti abbiano un’energia sufficiente da poter contrastare la forza di repulsione coulombiana, quindi occorre raggiungere livelli di temperatura e pressione simili a quelli delle stelle in modo da portarli allo stato di plasma. Il plasma deve essere confinato all’interno di una struttura adeguata, che non determini un raffreddamento della materia al contatto con essa e non venga danneggiata dalle peculiari caratteristiche della materia al suo interno. Per permetterlo i ricercatori hanno elaborato due diverse soluzioni che prendono il nome di confinamento magnetico e confinamento inerziale. Mi limiterò a trattare il primo, che è quello che al momento sta riscuotendo più successo: in questo caso vengono sfruttati forti campi magnetici in grado di vincolare il moto delle particelle cariche del plasma ad essere confinato in una regione limitata. I reattori utilizzati per ottenere questo risultato sono strutture di forma toroidale (a ciambella), scelta per evitare perdite di particelle e contrastare i loro moti di deriva che potrebbero far perdere il confinamento, e intorno alla camera in cui è ottenuto il plasma sono posizionate delle bobine in cui fluiscono correnti elettriche in grado di generare i campi magnetici capaci di scaldare il plasma e mantenere il suo stato di confinamento. Un macchinario come questo prende il nome di Tokamak.
Lo scorso novembre i ricercatori di EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) in Cina hanno reso noto di essere riusciti a raggiungere la temperatura record di 100 milioni di gradi al loro plasma, una temperatura sei volte maggiore di quella del Sole. Si tratta di un grande successo che apre la strada ad un promettente futuro per l’energia innovativa e, in particolare, per ITER, l’International Thermonuclear Experimental Reactor, progetto che coinvolge una collaborazione di 35 nazioni e sta costruendo una grande struttura nel sud della Francia proprio per utilizzare la fusione nucleare per la produzione di energia elettrica.