Prossime fonti energetiche sfruttabili: la magnetofluidodinamica e la fusione termonucleare controllata

Portare il sole sulla Terra

Probabilmente nell’arco di tempo lungo un cinquantennio scompariranno petrolio e gas naturale, vita leggermente superiore è prevista per il carbone.

Cultura
Cilento giovedì 13 febbraio 2020
di Giuffrida Farina
MAGNETOFLUIDODINAMICA E FUSIONE TERMONUCLEARE CONTROLLATA
MAGNETOFLUIDODINAMICA E FUSIONE TERMONUCLEARE CONTROLLATA © web

Stime indicative intorno alle attuali fonti energetiche palesano l’esaurimento delle riserve di combustibile: probabilmente nell’arco di tempo lungo un cinquantennio scompariranno petrolio e gas naturale, vita leggermente superiore è prevista per il carbone. Allo stato importanti esperimenti concernono l’incremento della produzione di energia elettrica utilizzando la MAGNETOFLUIDODINAMICA (MHD). Premettiamo che conduttori di energia elettrica sono, oltre gli usuali “fili elettrici metallici” esistenti allo stato solido, anche i metalli liquidi, l’acqua del mare ed il plasma; relativamente a quest’ultimo, esso costituisce il quarto stato della materia (solido, liquido ed aeriforme sono le 3 ben note condizioni d’essa), manifestando particolari qualità di gas ionizzato, dotato di carica elettrica, dunque non neutro quali sono le usuali sostanze aeriformi in ordinarie condizioni di temperatura e pressione. La Magnetofluidodinamica tratta, in particolare, i fluidi conduttori, liquidi o gassosi, è un ramo della scienza della Dinamica della materia, materia mobile all’interno di un campo elettromagnetico. Generatori di tipo MHD sono macchine per la produzione di elettricità; presentano due principali differenze rispetto ai generatori tradizionali: 1) operano ad elevatissime temperature; 2) non presentano organi in movimento, dunque sono macchine statiche. In maniera analoga alle modalità evidenziate da qualsiasi altro generatore, ilprincipio di funzionamento si fonda sul movimento di un elemento conduttivo attraverso un campo magnetico; il conduttore impiegato è il “gas ionizzato” plasma che scorre attraverso il campo magnetico. Pompando dunque il gas ad altissime velocità, viene a generarsi, nel gas stesso, energia elettrica (sotto forma di corrente elettrica), recuperata grazie ad opportuni contatti elettrici (“elettrodi”) immersi nel flusso della sostanza plasmatica. Il problema da risolvere consiste nel trovare materiali in grado di sopportare temperature dell’ordine di parecchie migliaia di gradi centigradi. L’utilizzo della magnetofluidodinamica, “in simbiosi” con le tradizionali tecniche di generazione d’energia elettrica, implicherebbe notevoli risparmi (all’incirca il 30%) nel consumo di combustibile. Il generatore magnetoidrodinamico è stato proposto dai primi sviluppi dell'energia elettrica. Lo scienziato Michael Faraday (1791-1867, chimico e fisico inglese di umili origini e di immenso valore, avrebbe conseguito più di un Nobel se fosse vissuto al tempo dell’esistenza del Premio; che, peraltro, non avrebbe accettato in quanto detestava onori e riconoscimenti, tant’è che rifiutò la carica di Presidente della Royal Society), condusse esperimenti nei primi anni del 1800. I suoi test sperimentali vennero proseguiti un secolo dopo, nel 1938 negli Stati Uniti dalla Westinghouse Company. La seconda guerra mondiale bloccò lo sviluppo della tecnologia, fino agli anni '60. Attualmente i generatori MHD non sono utilizzati per applicazioni coinvolgenti grosse potenze, modello avanzato è il cosiddetto generatore di dischi MHD che trasmette plasma attraverso due dischi, il campo magnetico è fornito da una coppia di bobine definite “Helmoltz”. Ad oggi la più alta gamma di efficienza è intorno al 30%, valore che i detrattori di tale sistema sottolineano, evidenziando la distanza percentuale dall'efficienza di altre macchine normalmente impiegate. I problemi coinvolgenti la disciplina MHD sono correlati con l’Astrofisica, in quanto il plasma è il costituente al 99% della materia barionica dell’Universo; materia barionica ovvero materia composta da protoni e neutroni, che, in percento di densità di energia totale dell’Universo, è presente in misura ridottissima, ne costituisce soltanto il 4%. FUSIONE NUCLEARE. La maggior fonte d’energia esistente è la fusione nucleare. Abbiamo visto che la fissione (frantumazione) di atomi pesanti (Uranio 235) libera enormi quantità di energia termica, tale processo è sfruttato da tutte le centrali elettronucleari oggi esistenti; eppure, superiori quantitativi di calore, sfruttabile per produrre energia elettrica, si otterrebbero qualora si riuscisse nell’impresa di “portare il Sole sulla Terra”, se andasse in porto la fusione forzata di due nuclei di atomi leggeri, dalla quale scaturirebbe la formazione di un nucleo più pesante, con liberazione di enormi quantitativi energetici. Ma come riuscire in tale impresa? La sostanza più idonea è il Deuterio (Idrogeno pesante); per fonderlo in laboratorio (ovvero per ottenere la fusione nucleare controllata), occorre scoprire una metodologia in grado di controllare la reazione concernente il riscaldamento del Deuterio alle elevatissime temperature richieste. Teniamo presente che una tonnellata di acqua contiene all’incirca 150 grammi di “acqua pesante”, la cui formula è D2O (simile a quella dell’acqua ordinaria, la ben nota H2O) e rappresenta sostanza di notevole importanza in virtù delle sue ottime capacità moderatrici della velocità dei neutroni; oltre che “rallentatrice” di tali particelle, l’acqua pesante contenuta in un reattore nucleare consente di ridurre sensibilmente le dimensioni, rispetto a quelle di un reattore della stessa potenza, moderato però con grafite; nell’acqua di mare esiste tutto il Deuterio sfruttabile per il soddisfacimento di richiesta energetica delle future generazioni, l’elevato ostacolo da valicare consiste nell’aspetto del fondere due nuclei (che avviene attraverso l’urto di due nuclei, ad esempio Deuterio e Trizio) risulta assai più complicato rispetto allo scindere un solo nucleo, in quanto ambedue i nuclei, disponendo di cariche elettropositive, tendono a respingersi energicamente: l’unico modo per costringerli a “non staccarsi” risiede nella altissima velocità, occorre che la collisione avvenga ad elevatissima velocità, in tal maniera la repulsione reciproca verrebbe vinta. La maniera più semplice per attuare tale condizione di attrazione consiste nel riscaldamento degli atomi, sino al raggiungimento di “temperature solari”: teniamo presente che, a 10.000 gradi centigradi - temperatura leggermente più alta di quella caratterizzante la superficie del Sole - l’impatto di atomi è talmente violento da provocare lo sbalzar di particelle (elettroni) al di fuori delle loro orbite atomiche; è necessario attingere temperatura di, all’incirca, 20 milioni di gradi centigradi, onde consentire il blocco di questo veemente sfuggire e dunque la realizzazione della tanto agognata fusione nucleare. Qualora si riuscisse in tale scientificamente “titanica impresa”, non occorrerebbe fornire alcun altro apporto energetico, in quanto la fusione nucleare produrrebbe l’energia termica sufficiente a stabilizzare le idonee temperature richieste: le “fiamme nucleari” continuerebbero a divampare fino alla totale scomparsa di atomi in grado di fondere, insomma verrebbero utilizzati quasi tutti gli atomi, con conseguente elevatissimo rendimento. Probabilmente nell’arco di pochi secoli si esaurirà il quantitativo di Uranio; di converso, il mare contiene quantità di Deuterio sufficienti al soddisfacimento di richieste energetiche per milioni di anni. Inoltre vi è l’importantissimo aspetto legato alla entità numerica di scorie radioattive liberate in ambedue i processi: la fusione nucleare produce scorie radioattive assai meno ingenti rispetto a quelle rilasciati dalla fissione nucleare. La temperatura di milioni di gradi centigradi, con quale modalità raggiungerla? Attraverso ilpassaggio, nel gas ionizzato (plasma), di una enorme scintilla che si propagherebbe in un idoneo condotto contenente il gas: l’ostacolo più grosso da valicare consiste nell’ottenere la non adesione del plasma con le pareti, contatto che raffredderebbe il gas (la reazione termonucleare non avverrebbe), o, ancor peggio, l’enorme quantitativo di calore vaporizzerebbe il condotto con conseguenze facilmente immaginabili. La storia della fusione termonucleare controllata ebbe inizio nel 1929; considerando la relazione di Einstein E=mc2 (a onor del vero storico scoperta dall’italiano Olinto De Pretto nel 1903, due anni prima di Einstein) relativa alla equivalenza massa/energia (la massa del nucleo prodotto dopo la reazione di fusione è minore della somma delle masse dei nuclei di partenza, e tale difetto di massa è trasformato in energia), i fisici Atkinson e Houtermans preannunciarono che dalla fusione di nuclei leggeri, per esempio di idrogeno, si sarebbero ottenute grandi quantità di energia. Il Progetto Manhattan (inizio anni ’40) inaugurò le ricerche sulla fusione per scopi militari; la fusione nucleare venne realizzata per la prima volta l’1 novembre 1952, nel test sulla bomba a idrogeno denominata Ivy Mike. Il sogno, inseguito da generazioni di scienziati, è sempre stato quello di poter ricreare sulla Terra le condizioni esistenti nel Sole ovvero produrre la fusione nucleare ed ottenere energia pulita e illimitata; “inferno energetico” da convertire nell’agognato traguardo del “paradiso energetico” sfruttabile, uno dei metodi prevede l’utilizzo di unmix di “particelle” protoni e “sostanza” boro, miscela che fornirebbe, quale prodotto finale, 3 particelle alfa: particelle costituenti i nuclei di Elio, vengono definite “elioni”. L’Elio è un gas presente nel Sole in misura percentuale pari al 24%, mentre l’Idrogeno è il componente fondamentale (74%). Tanti esperimenti sono in corso. Nell’attualmente martoriata Cina, era il 2018, vennero raggiunti in laboratorio oltre 100 milioni di gradi centigradi, mantenuti per un tempo record di 1 minuto e 41 secondi, una infinita estensione di tempo, confrontata con la durata di analoghe sperimentazioni. Relativamente allo strettissimo legame tra Arte e Scienza, uno studio (pubblicato su Physics Today nel giugno 2011) intorno alle straordinarie opere di Jackson Pollock (1912-1956, artista famoso per la tecnica del dripping painting, l’azione del lasciar sgocciolare la pittura sulla tela o del lanciar su di essa i colori) ha evidenziato la sperimentazione di tecniche di Fluidodinamica nella realizzazione delle sue creazioni. La sua immagine durante una creazione ed uno schema illustrativo di un MHD completano l’articolo.

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