Come funzionano i reattori a fusione? 5 fatti che dovresti sapere!

Lo scopo principale di reattori a fusione nucleare è produrre elettricità dall'energia termica rilasciata durante la fusione di due nuclei leggeri. Studiamo il funzionamento dei reattori a fusione.

  • Il reattore a fusione nucleare utilizza generalmente l'isotopo del deuterio simile all'idrogeno o del trizio come combustibile.
  • Inizialmente, il combustibile di fusione viene riscaldato fino a 100 milioni di gradi Celsius in una camera ad alto vuoto, che viene trasformata in plasma.
  • Il reazione di fusione richiede temperature e pressioni elevate, fornite da un campo magnetico molto forte o da una pompa ad alto vuoto.
  • Sotto l'influenza di tale pressione e temperatura, il plasma è confinato all'interno della camera e fuso con il protone bersaglio per formare un nucleo più pesante.
  • L'energia viene rilasciata durante il processo di fusione, quindi raccolta e convertita in un'altra utile forma di energia.

Il deuterio è presente nell'acqua, quindi sono ampiamente utilizzati come combustibile per la fusione. Il trizio non si trova in natura; quindi, il litio viene utilizzato insieme al deuterio come combustibile per la fusione nucleare. In questo post, discutiamo fatti interessanti riguardanti il ​​funzionamento e la generazione di energia dai reattori a fusione nucleare.

In che modo i reattori a fusione generano elettricità?

La generazione di elettricità dal reattore a fusione nucleare segue la principio di conservazione dell'energia. Concentriamoci sul processo di generazione di elettricità dai reattori a fusione.

I reattori a fusione generano elettricità in due modi:

  • Attraverso turbine a vapore: in questo metodo, il calore rilasciato durante la fusione viene raccolto e convertito in vapore utilizzando l'acqua come refrigerante. Viene fatto passare attraverso una grande turbina e le fa ruotare, il che aziona la generazione di elettricità.
  • Conversione diretta: i nuclei in rapido movimento della fusione trasportano cariche elettriche. Queste cariche possono essere convertite in elettricità utilizzando il motore termico.

L'efficienza del reattore a fusione

L'efficienza rappresenta il rapporto tra l'energia in ingresso e quella in uscita che viene convertita in lavoro utile. Controlliamo l'efficienza di un reattore a fusione nucleare.

Il reattore a fusione produce un'enorme quantità di calore; quindi, la sua efficienza termica è del 70% e l'efficienza di un reattore a fusione nucleare per generare elettricità è del 40%. Un grammo di combustibile da fusione può produrre energia come 10 kg di combustibile fossile, quindi è più efficiente in termini di generazione di energia.

I reattori a fusione nucleare sono sicuri?

La fusione nucleare coinvolge un elemento il cui numero atomico è inferiore a 56. Ora esamineremo se un reattore a fusione è sicuro.

Il reattore a fusione nucleare è sicuro per sfruttare l'energia perché è un processo autolimitante, cioè, se non è possibile controllare la reazione, il reattore si spegne da solo. L'esplosione del reattore a fusione è molto rara in quanto non subisce una reazione a catena, i rifiuti radioattivi sono minimi in un reattore a fusione, quindi è sicuro da usare.

La fusione nucleare non rilascia alcun elemento radioattivo pesante né gas tossici come l'anidride carbonica o qualsiasi gas serra, quindi è sicura per l'ambiente. I reattori a fusione nucleare non sono sempre sicuri perché a volte subiscono radioattività indotta da neutroni, generando neutroni ad alta energia che non sono così sicuri.

Reattore a fusione 1
Immagine: Diagramma schematico del reattore a fusione nucleare by Evan Massone, (CC BY-SA 3.0)

Quanti reattori a fusione ci sono?

Costruire una centrale elettrica a fusione è difficile perché raggiungere le condizioni necessarie, come temperature e pressioni elevate, è difficile. Facci sapere il numero di reattori a fusione esistenti.

Solo due reattori a fusione nucleare possono essere utilizzati per generare energia. Sono

  • Reattori a confinamento magnetico
  • Reattori a confinamento inerziale

Reattori a confinamento magnetico

I reattori a confinamento magnetico utilizzano il campo magnetico per confinare il plasma di deuterio o trizio. Utilizzano la conduttività elettrica del plasma per interagire con il campo magnetico per compensare l'elevata pressione del plasma; in tal modo, il plasma caldo continua a toccare le pareti della camera di confinamento per mezzo del campo magnetico.

Reattori a confinamento inerziale

I reattori a confinamento inerziale utilizzano il combustibile di fusione sotto forma di piccoli pellet, compressi a densità di energia estremamente elevata e riscaldati ad alta temperatura. Il confinamento inerziale richiede un lasso di tempo molto breve e il raggio ad alta energia di protoni, elettroni o ioni esegue la compressione.

Come fanno i reattori a fusione a non fondere?

Il vantaggio di un reattore nucleare è che anche a temperature estremamente elevate non vi è alcun rischio di fusione. Troviamo il motivo del mancato scioglimento di un reattore a fusione nucleare.

Il reattore a fusione nucleare non fonde nemmeno a milioni di gradi di temperatura a causa del campo magnetico applicato per confinare il plasma. Il campo magnetico racchiude il plasma come uno scudo, fornendo così un perfetto isolamento termico per resistere a temperature estreme. Così il nucleo esterno del reattore non fonde.

In un reattore a fusione nucleare, se qualcosa va storto, come la rottura del campo magnetico, il plasma si raffredda in un secondo in modo da non correre il rischio di sciogliersi. È uno dei grandi vantaggi dei reattori a fusione nucleare.

Come vengono riscaldati i reattori a fusione?

Per ottenere la fusione nucleare, l'alta temperatura è un criterio essenziale. Facci sapere come viene riscaldato il reattore a fusione per raggiungere la temperatura richiesta.

Il reattore nucleare viene inizialmente riscaldato attraverso una corrente elettrica esterna che viene fatta passare al nucleo del combustibile per accelerarlo. Quando iniziano ad accelerare, i nuclei acquisiscono energia cinetica e vanno incontro a collisione con se stessi. La collisione tra questi nuclei provoca il riscaldamento del reattore a fusione nucleare.

Il calore generato a causa di ogni collisione aumenta fino alla temperatura richiesta, provocando la rimozione di un elettrone dall'idrogeno neutro e quindi il nucleo bersaglio iniettato nel plasma combustibile. Ciò si traduce nella fusione di due nuclei più leggeri per formare un singolo nucleo pesante.

Conclusione

Concludiamo questo post affermando che un reattore a fusione nucleare è il generatore di energia più sicuro ma difficile da costruire. La produzione di energia dal reattore a fusione segue la conversione massa-energia di Einstein E=mc2. Ci sono solo 20 reattori a fusione nucleare costruiti in tutto il mondo.

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