L’energia da fusione nucleare ha il potenziale per essere una fonte di energia pulita ed efficace, poiché le sue reazioni generano quantità di energia incredibilmente grandi. I reattori a fusione mirano a riprodurre sulla Terra ciò che accade nel nucleo del sole , dove elementi molto leggeri si fondono e rilasciano energia nel processo. Gli ingegneri possono sfruttare questa energia per riscaldare l’acqua e generare elettricità tramite una turbina a vapore, ma il percorso verso la fusione non è del tutto lineare.
L’energia da fusione nucleare ha il potenziale per essere una fonte pulita ed efficace
La fusione nucleare controllata ha diversi vantaggi rispetto ad altre fonti di energia per la generazione di elettricità. Innanzitutto, la reazione di fusione in sé non produce anidride carbonica. Non c’è rischio di fusione e la reazione non genera scorie radioattive a lunga durata.
La fusione nucleare avviene a temperature incredibilmente elevate. Quindi, per rendere un giorno la fusione una fonte di energia fattibile, i reattori dovranno essere costruiti con materiali che possano sopravvivere al calore e all’irradiazione generati dalle reazioni di fusione.
Diversi tipi di elementi possono fondersi durante una reazione di fusione. Quello che la maggior parte degli scienziati preferisce è deuterio più trizio . Questi due elementi hanno la più alta 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 hanno generato con successo reazioni di fusione sulla Terra dal 1952 , alcuni persino nel loro garage . Ma il trucco ora è far sì che ne valga la pena. Bisogna ottenere più energia dal processo di quanta ne si impieghi per avviare la reazione.
Le reazioni di fusione nucleare avvengono in un plasma molto caldo , che è uno stato della materia simile al gas ma composto da particelle cariche. Il plasma deve rimanere estremamente caldo, oltre 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, hai bisogno di materiali speciali che costituiscano le pareti del reattore. Hai anche bisogno di una fonte di combustibile economica e affidabile.
Mentre il deuterio è molto comune e si ottiene dall’acqua, il trizio è molto raro. Si prevede che un reattore a fusione da 1 gigawatt bruci 56 chilogrammi di trizio all’anno. Ma il mondo ha solo circa 25 chilogrammi di trizio disponibili in commercio.
I ricercatori devono trovare fonti alternative di trizio prima che l’energia di fusione nucleare possa decollare. Un’opzione è quella di far sì che ogni reattore generi il proprio trizio attraverso un sistema chiamato breeding blanket .
La coperta di allevamento 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. La coperta converte anche l’energia trasportata da questi neutroni in calore.
I dispositivi di fusione nucleare necessitano anche di un divertore , che estrae il calore e la cenere prodotti nella reazione. Il divertore aiuta a mantenere le reazioni in corso più a lungo.
Questi materiali saranno esposti a livelli senza precedenti di calore e bombardamento di particelle. E attualmente non ci sono strutture sperimentali per riprodurre queste condizioni e testare i materiali in uno scenario reale. Quindi, l’obiettivo della mia ricerca è colmare questa lacuna utilizzando modelli e simulazioni al computer.
Quando vengono irradiati, in questi materiali possono formarsi e crescere difetti che influenzano la loro capacità di reagire al calore e allo stress. In futuro, speriamo che le agenzie governative e le aziende private possano utilizzare questi strumenti per progettare centrali elettriche a fusione nucleare.
Questo approccio, denominato modellazione multiscala, consiste nell’analizzare la fisica di questi materiali su diverse scale di tempo e lunghezza mediante una serie di modelli computazionali.
Studiamo prima i fenomeni che si verificano in questi materiali su scala atomica 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 prendiamo in esame proprietà come la diffusività, che ci dice quanto l’idrogeno può diffondersi nel materiale. Possiamo integrare le informazioni da queste simulazioni a livello atomico in simulazioni meno costose, che esaminano come i materiali reagiscono su scala più ampia. Queste simulazioni su scala più ampia sono meno costose perché modellano i materiali come un continuum invece di considerare ogni singolo atomo.
Le simulazioni su scala atomica potrebbero richiedere settimane per essere eseguite su un supercomputer, mentre quelle sul continuo richiederanno solo poche ore. Tutto questo lavoro di modellazione svolto al computer viene poi confrontato con i risultati sperimentali ottenuti in laboratorio.
Ad esempio, se un lato del materiale ha gas idrogeno, vogliamo sapere quanto idrogeno perde dall’altro lato del materiale. Se il modello e i risultati sperimentali corrispondono, possiamo avere fiducia nel modello e usarlo per prevedere il comportamento dello stesso materiale nelle condizioni che ci aspetteremmo in un dispositivo di fusione nucleare.
Se non corrispondono, torniamo alle simulazioni su scala atomica per verificare cosa ci è sfuggito. Inoltre, possiamo accoppiare il modello di materiale su larga scala ai modelli di plasma . Questi modelli possono dirci quali parti di un reattore a fusione saranno le più calde o avranno il maggior bombardamento di particelle. Da lì, possiamo valutare altri scenari.
Ad esempio, se durante il funzionamento del reattore a fusione nucleare si verifica una perdita eccessiva di idrogeno attraverso il materiale, potremmo consigliare di rendere il materiale più spesso in determinati punti o di aggiungere qualcosa per intrappolare l’idrogeno.
Mentre la ricerca di energia da fusione nucleare commerciale continua, gli scienziati dovranno progettare materiali più resilienti. Il campo delle possibilità è scoraggiante: gli ingegneri possono produrre più elementi insieme in molti modi.
Potresti combinare due elementi per creare un nuovo materiale, ma come fai a sapere qual è la giusta proporzione di ogni elemento? E se volessi provare a mescolare cinque o più elementi insieme ? Ci vorrebbe troppo tempo per provare a eseguire le nostre simulazioni per tutte queste possibilità.
Fortunatamente, l’intelligenza artificiale è qui per aiutarci. Combinando i risultati sperimentali e di simulazione, l’intelligenza artificiale analitica può consigliare le combinazioni che hanno maggiori probabilità di avere 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.
