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Il DOE conferma la pietra miliare dell'energia di fusione nel laboratorio californiano

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La prima reazione di fusione nucleare che ha portato a un guadagno netto di energia è stata completata con successo dagli scienziati di un laboratorio in California, una pietra miliare nella ricerca decennale di un modo per produrre energia illimitata senza emissioni di carbonio o scorie nucleari.

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Il Segretario all'Energia Jennifer Granholm ha dato l'annuncio ufficiale il 13 dicembre durante una conferenza stampa presso il Dipartimento dell'Energia (DOE) a Washington, D.C. Granholm ha confermato la notizia che era stata riportata per la prima volta domenica, quando alcuni organi di stampa, tra cui POWER, avevano citato fonti secondo le quali i ricercatori della National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Laboratory il 5 dicembre avevano prodotto una reazione di fusione che creava più energia di quanta ne consumasse.

Martedì Granholm ha dichiarato che l'esperimento di fusione al NIF ha replicato "alcune condizioni che si trovano solo nelle stelle e nel sole" I funzionari hanno detto che i risultati della reazione del 5 dicembre dovevano essere analizzati e sottoposti a revisione paritaria prima di un annuncio ufficiale della scoperta, motivo per cui non è stata resa nota immediatamente.

Ha detto Granholm: "L'accensione ci permette di replicare per la prima volta alcune condizioni che si trovano solo nelle stelle e nel sole. Questa pietra miliare ci porta un passo avanti significativo verso la possibilità che la nostra società sia alimentata da energia da fusione abbondante a zero emissioni di carbonio. Questo è il ruolo di guida dell'America, e siamo solo all'inizio. Se riusciamo a far progredire l'energia di fusione, potremmo usarla per produrre elettricità pulita, carburanti per i trasporti, energia, industria pesante e molto altro ancora"

Gli esperti di energia nucleare hanno applaudito l'annuncio di martedì, pur riconoscendo che i progressi compiuti nel dimostrare la fattibilità concettuale della fusione sono solo un'altra tappa di quello che la maggior parte, se non tutti, ritengono sia un lungo percorso scientifico, tecnico e finanziario per la commercializzazione di questa tecnologia a lungo sfuggita.

"L'annuncio odierno del Segretario del Dipartimento dell'Energia Jennifer Granholm segna una nuova pietra miliare nella tradizione delle innovazioni energetiche guidate dagli Stati Uniti", ha dichiarato Josh Freed, vicepresidente senior del Programma Clima ed Energia. "La scoperta della fusione dimostra la vitalità e il dinamismo dell'ecosistema americano dell'energia pulita. I politici dovrebbero investire nell'innovazione per potenziare le scoperte tecnologiche in una serie di tecnologie che saranno fondamentali per raggiungere l'energia netta zero. Ogni progresso in queste aree di ricerca crea vantaggi strategici che aumenteranno la competitività degli Stati Uniti a livello globale e stimoleranno la crescita economica a livello nazionale.

Freed ha proseguito: "I laboratori nazionali americani hanno sempre puntato alle stelle e l'annuncio di oggi dimostra che non è solo teorico, ma realizzabile. Vale la pena di festeggiare"

Meraviglia ingegneristica

"Questo è molto importante perché, dal punto di vista energetico, non può essere una fonte di energia se non si estrae più energia di quanta se ne immette", ha dichiarato alla CNN Julio Friedmann, scienziato capo di Carbon Direct ed ex capo tecnologo dell'energia al Lawrence Livermore. "Le scoperte precedenti sono state importanti, ma non è la stessa cosa che generare energia che un giorno potrebbe essere utilizzata su scala più ampia"

Il direttore dell'Ufficio per la Scienza e la Tecnologia della Casa Bianca, Dr. Arati Prabhakar, ha dichiarato durante la conferenza stampa di martedì: "Questo è un incredibile esempio di impresa americana... Voglio congratularmi con l'intero Dipartimento dell'Energia sotto la guida del Segretario Granholm" Prabhakar ha definito la reazione energetica della rete di fusione "una meraviglia ingegneristica"

Ha detto Prabhakar: "È passato un secolo da quando abbiamo capito che la fusione era in atto nel nostro sole e in tutte le altre stelle. In questo secolo, ci sono voluti molti progressi di vario tipo che alla fine hanno portato al punto di poter replicare l'attività di fusione in laboratorio"

Jill Hruby, sottosegretario per la sicurezza nucleare del DOE e amministratore della National Nuclear Security Administration, ha affermato che "in futuro" il lavoro sulla fusione subirà ulteriori "scoperte" e "battute d'arresto" Hruby ha dichiarato che il lavoro della sua agenzia si concentra sulla "promozione della sicurezza nazionale" e al tempo stesso "spinge verso... un futuro di energia pulita" Ha definito l'annuncio di martedì "senza precedenti" per la comunità scientifica.

Il processo di fusione

Il processo di fusione funziona quando i nuclei di due atomi sono sottoposti a un calore estremo di oltre 100 milioni di gradi Celsius, ovvero 180 milioni di gradi Fahrenheit. Questo fa sì che gli atomi si fondano in un nuovo atomo più grande, che sprigiona enormi quantità di energia. È lo stesso processo che alimenta il sole e le stelle.

Il processo, però, consuma anche enormi quantità di energia. L'obiettivo degli scienziati che si occupano di fusione è quello di rendere il processo autosufficiente e, soprattutto, di ricavarne più energia di quanta ne consumi, quindi di produrre energia netta. L'obiettivo è anche quello di far funzionare il processo in modo continuo, invece che per brevi momenti.

Il raggiungimento di questi obiettivi potrebbe portare alla commercializzazione della fusione, che secondo gli esperti del settore potrebbe avvenire entro il prossimo decennio, pur riconoscendo che potrebbe richiedere più tempo. Ciò che entusiasma molti ricercatori è la possibilità di creare una fornitura essenzialmente illimitata di energia priva di carbonio, che potrebbe aiutare a combattere il cambiamento climatico, e di farlo senza le scorie nucleari prodotte dagli attuali reattori a fissione.

"Il fatto che siamo riusciti a ricavare più energia di quanta ne abbiamo immessa fornisce una prova concreta che questo è possibile", ha dichiarato Mark Herrmann, direttore del programma di fisica e progettazione delle armi presso il laboratorio di Livermore. "Può essere migliorato e migliorato, e potenzialmente potrebbe essere una fonte di energia in futuro"

Sono necessari molti passi avanti

Il successo nella produzione di energia netta, tuttavia, è solo uno dei tanti passi necessari per realizzare la promessa della fusione. L'energia prodotta dalla fusione deve essere raccolta e poi trasferita alla rete elettrica come elettricità. Molti scienziati, anche dopo l'annuncio di martedì, continuano a dire che ci vorranno anni (alcuni dicono decenni) prima che la fusione sia in grado di produrre quantità illimitate di energia pulita.

Tony Roulstone, ingegnere nucleare dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, ha dichiarato alla NPR (National Public Radio) che, a meno che non si compiano progressi più significativi, è improbabile che la fusione abbia un ruolo importante nella produzione di energia per altri 40-50 anni.

"Penso che la scienza sia ottima", ha detto Roulstone, che ha fatto un'analisi economica dell'energia da fusione. "Non sappiamo davvero come sarebbe la centrale elettrica"

Irina Tsukerman, analista geopolitica e presidente di Scarab Rising, una società di consulenza con sede a New York, ha detto a POWER che "la ricerca sulla fusione ha bisogno di migliori PR [pubbliche relazioni]. È estremamente sottovalutata. Finora l'attenzione per l'energia si è concentrata soprattutto sulle applicazioni legate al clima, come la riduzione delle emissioni di carbonio. Non c'è un'ampia consapevolezza commerciale delle potenziali applicazioni della fusione... quindi non c'è un significativo incentivo del settore privato a dedicare risorse a questo tipo di ricerca, quando la spinta sociale complessiva è data da altri tipi di energia"

Secondo Tsukerman, anche gli "stereotipi legati alla ricerca sull'energia nucleare in generale" hanno rappresentato un fattore limitante per gli investimenti nella ricerca sulla fusione. "Se la fusione viene vista come 'sexy', sicura e diffusa, prenderà piede proprio come ha fatto finora tutto ciò che viene visto come trendy ed eccitante" Ha proseguito: "C'è anche un grande bisogno di attori non governativi per finanziare questo spazio e per diversificare la ricerca in generale"

Ricerca globale

Ci sono diversi progetti di fusione in corso negli Stati Uniti, nel Regno Unito e in Europa. La Francia ospita il Reattore sperimentale termonucleare internazionale, o ITER, un programma a cui collaborano 35 Paesi. Tra questi paesi ci sono Stati Uniti, Cina, Unione Europea, Russia, Corea del Sud, Giappone e India.

Gran parte del lavoro negli Stati Uniti si svolge presso il NIF di Lawrence Livermore, in un enorme edificio alto 10 piani e grande quanto tre campi da calcio statunitensi. Il NIF è stato inaugurato nel 2009, ma molti funzionari hanno messo in dubbio i miliardi di dollari versati nel progetto, che sta studiando la cosiddetta "fusione inerziale termonucleare" Gli scienziati sparano pellet contenenti idrogeno (con due isotopi di idrogeno) in una serie di 192 laser, che creano essenzialmente una serie di esplosioni molto veloci e ripetute a una velocità di 50 volte al secondo. L'energia raccolta dai neutroni e dalle particelle alfa risultanti viene estratta sotto forma di calore, poiché gli isotopi dell'idrogeno si fondono e rilasciano enormi quantità di energia.

"A differenza del carbone, è sufficiente una piccola quantità di idrogeno, che è il più abbondante nell'universo", ha dichiarato Friedmann alla CNN. "L'idrogeno si trova nell'acqua, quindi il materiale che genera questa energia è illimitato e pulito"

Nell'agosto del 2021, i fisici del Lawrence Livermore sono riusciti ad "accendere" l'idrogeno all'interno della capsula, che ha creato una combustione autonoma. Riccardo Betti, scienziato capo del laboratorio per l'energia laser dell'Università di Rochester a New York, ha dichiarato alla NPR che il processo è analogo all'accensione della benzina. "Si inizia con una piccola scintilla, poi la scintilla diventa sempre più grande e la combustione si propaga"

I ricercatori del progetto ITER e gli scienziati del Regno Unito stanno lavorando con i tokamak, grandi macchine circolari dotate di magneti giganti, per produrre lo stesso risultato delle loro controparti statunitensi. Il tokamak confina il plasma utilizzando campi magnetici in una forma a ciambella che gli scienziati chiamano "torus". Dopo aver immesso il combustibile in un tokamak, i suoi magneti vengono accesi. Le temperature all'interno vengono aumentate in modo esponenziale per creare il plasma. Il plasma deve raggiungere almeno 150 milioni di gradi Celsius, cioè 10 volte più caldo del nucleo del sole. I neutroni fuoriescono quindi dal plasma, colpendo una cosiddetta "coperta" che riveste le pareti del tokamak e trasferendo la loro energia cinetica sotto forma di calore.

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