L’energia da fusione rappresenta una promettente fonte di energia pulita, grazie alla sua capacità di generare enormi quantità di energia. I reattori a fusione cercano di replicare sulla Terra ciò che avviene nel nucleo del Sole, dove elementi molto leggeri si fondono rilasciando energia. Gli ingegneri possono sfruttare questa energia per riscaldare l’acqua e generare elettricità attraverso una turbina a vapore. Tuttavia, il percorso verso la fusione non è privo di ostacoli.
Vantaggi della Fusione Nucleare Controllata
La fusione nucleare controllata offre numerosi vantaggi rispetto ad altre fonti di energia per la produzione di elettricità. Innanzitutto, la reazione di fusione non produce anidride carbonica. Inoltre, non vi è alcun rischio di fusione del reattore e la reazione non genera rifiuti radioattivi a lunga vita.
Sfide dei Materiali per la Fusione
Diversi tipi di elementi possono fondersi durante una reazione di fusione. La combinazione preferita dalla maggior parte degli scienziati è quella tra deuterio e trizio. Questi due elementi hanno la maggiore probabilità di fondersi a temperature che un reattore può mantenere. Questa reazione genera un atomo di elio e un neutrone, che trasporta la maggior parte dell’energia dalla reazione.
Gli esseri umani sono riusciti a generare reazioni di fusione sulla Terra dal 1952, ma la sfida attuale è renderle economicamente vantaggiose. È necessario ottenere più energia dal processo di quanta ne venga impiegata per avviare la reazione.
Il Ruolo del Plasma
Le reazioni di fusione avvengono in un plasma molto caldo, uno stato della materia simile al gas ma composto da particelle cariche. Il plasma deve rimanere estremamente caldo, oltre i 100 milioni di gradi Celsius, e condensato per tutta la durata della reazione.
Per mantenere il plasma caldo e condensato e creare una reazione che possa continuare, sono necessari materiali speciali per le pareti del reattore. È inoltre necessario disporre di una fonte di combustibile economica e affidabile.
Deuterio e Trizio: Risorse e Sfide
Mentre il deuterio è molto comune e si ottiene dall’acqua, il trizio è molto raro. Si stima che un reattore a fusione da 1 gigawatt bruci 56 chilogrammi di trizio all’anno. Tuttavia, nel mondo sono disponibili solo circa 25 chilogrammi di trizio a livello commerciale.
I ricercatori devono trovare fonti alternative per il trizio prima che l’energia da fusione possa decollare. Una soluzione è che ogni reattore generi il proprio trizio attraverso un sistema chiamato breeding blanket.
Il breeding blanket costituisce il primo strato delle pareti della camera al plasma e contiene litio che reagisce con i neutroni generati nella reazione di fusione per produrre trizio. Il blanket converte anche l’energia trasportata da questi neutroni in calore.
Il Divertore e la Gestione del Calore
I dispositivi di fusione necessitano anche di un divertore, che estrae il calore e le ceneri prodotte nella reazione. Il divertore aiuta a mantenere le reazioni attive più a lungo.
Questi materiali saranno esposti a livelli di calore e bombardamento di particelle senza precedenti. Attualmente non esistono strutture sperimentali per riprodurre queste condizioni e testare i materiali in uno scenario reale. Pertanto, la mia ricerca si concentra su come colmare questo divario utilizzando modelli e simulazioni al computer.
Dall’Atomo al Dispositivo Completo
Io e i miei colleghi lavoriamo alla produzione di strumenti che possano prevedere come i materiali in un reattore a fusione si erodano e come le loro proprietà cambino quando sono esposti a calore estremo e a molta radiazione di particelle.
Quando vengono irradiati, in questi materiali possono formarsi e crescere difetti che influenzano la loro reazione al calore e allo stress. In futuro, speriamo che agenzie governative e aziende private possano utilizzare questi strumenti per progettare centrali a fusione.
Modellazione Multiscala
Il nostro approccio, chiamato modellazione multiscala, consiste nell’analizzare la fisica di questi materiali su diverse scale temporali e di lunghezza con una gamma di modelli computazionali.
Iniziamo studiando i fenomeni che avvengono in questi materiali a livello atomico attraverso simulazioni accurate ma costose. Ad esempio, una simulazione potrebbe esaminare come l’idrogeno si muove all’interno di un materiale durante l’irradiazione.
Da queste simulazioni, esaminiamo proprietà come la diffusività, che ci indica quanto l’idrogeno possa diffondersi nel materiale.
Possiamo integrare le informazioni da queste simulazioni a livello atomico in simulazioni meno costose, che esaminano come i materiali reagiscono su una scala più ampia. Queste simulazioni su larga scala sono meno costose perché modellano i materiali come un continuum invece di considerare ogni singolo atomo.
Le simulazioni a scala atomica potrebbero richiedere settimane per essere eseguite su un supercomputer, mentre quelle a continuum richiederebbero solo poche ore.
Confronto con i Risultati Sperimentali
Tutto questo lavoro di modellazione che avviene sui computer viene poi confrontato con i risultati sperimentali ottenuti nei laboratori.
Ad esempio, se un lato del materiale ha gas di idrogeno, vogliamo sapere quanto idrogeno trapela dall’altro lato del materiale. Se il modello e i risultati sperimentali coincidono, possiamo avere fiducia nel modello e usarlo per prevedere il comportamento dello stesso materiale nelle condizioni che ci aspetteremmo in un dispositivo di fusione.
Se non coincidono, torniamo alle simulazioni a scala atomica per indagare cosa ci è sfuggito.
Inoltre, possiamo collegare il modello del materiale su larga scala ai modelli di plasma. Questi modelli possono dirci quali parti di un reattore a fusione saranno le più calde o subiranno il maggior bombardamento di particelle. Da lì, possiamo valutare più scenari.
Ad esempio, se troppo idrogeno trapela attraverso il materiale durante il funzionamento del reattore a fusione, potremmo raccomandare di rendere il materiale più spesso in certi punti o di aggiungere qualcosa per intrappolare l’idrogeno.
Progettazione di Nuovi Materiali
Mentre la ricerca di energia da fusione commerciale continua, gli scienziati dovranno progettare materiali più resistenti. Il campo delle possibilità è vasto: gli ingegneri possono combinare più elementi in molti modi.
Si potrebbe combinare due elementi per creare un nuovo materiale, ma come si fa a sapere qual è la giusta proporzione di ciascun elemento? E se si volesse provare a mescolare cinque o più elementi insieme? Ci vorrebbe troppo tempo per eseguire le nostre simulazioni per tutte queste possibilità.
Fortunatamente, l’intelligenza artificiale è qui per aiutare. Combinando i risultati sperimentali e di simulazione, l’IA analitica può raccomandare combinazioni che hanno maggiori probabilità di possedere le proprietà che stiamo cercando, come la resistenza al calore e allo stress.
L’obiettivo è ridurre il numero di materiali che un ingegnere dovrebbe produrre e testare sperimentalmente per risparmiare tempo e denaro.
