Macchine MHD

Queste macchine che ci salveranno
o ci distruggeranno

11 giugno 2006

Vorrei raccontarvi una storia che si sta scrivendo sotto i nostri occhi. Qualcosa è appena nato, ha dato il primo grido nelle viscere della Z-machine di Sandia, un laboratorio nel Nuovo Messico. Il bambino ha urlato per la prima volta nel maggio 2005. È uscito all'improvviso dalle viscere del nulla.

Da mezzo secolo gli uomini inseguono il miraggio della fusione. Mentre il demone della fissione era stato relativamente facilmente domato; all'inizio degli anni Quaranta, dando origine alla prima bomba atomica esplosa ad Alamogordo, negli Stati Uniti.

L'esplosione della prima bomba atomica ad Alamogordo

Il secondo figlio dell'uomo, il figlio prometeo, è emerso solo come figlio del primo. Non appena gli uomini hanno scoperto di poter liberare l'energia fantastica nascosta all'interno della materia stessa, hanno pensato di mettere in atto reazioni non di fissione, ma di fusione.

All'inizio gli "atomisti", i "fisici nucleari", come li chiameranno in seguito, erano semplici chimici (come il scopritore dell'atomo, il neozelandese Ernest Rutherford). Per un chimico la fissione non è altro che una reazione di dissociazione, fortemente esotermica, che mette in atto un processo di autocatalisi.

L'uranio 235 non aspetta altro che dissociazione in frammenti di massa simile, liberando nel frattempo alcuni neutroni. Sono questi a colpire i nuclei vicini, innescando il fuoco della "reazione a catena", a condizione che la quantità di atomi raccolti sia sufficientemente grande perché questi neutroni possano urtare un altro nucleo di 235. Piuttosto che parlare di massa critica, si dovrebbe parlare di volume critico. Vedi
http://www.savoir-sans-frontieres.com/JPP/telechargeables/Francais/energetiquement_votre.htm

Dopo aver sfruttato l'instabilità dell'uranio 235, presente in tracce (0,7%) nel minerale naturale di uranio 238, gli uomini hanno sfruttato anche quella del plutonio 239, un elemento che, questa volta, non esisteva in natura ma poteva essere prodotto iniettando un "neutrone veloce" emesso durante la fissione di un U235 nell'uranio 238. Il plutonio è anch'esso "fissile", possiede una "massa critica" e si presta alla fabbricazione di bombe. Fu questa seconda bomba a essere "sperimentata" a Nagasaki, in Giappone.

Ancora con lo sguardo del chimico, la fusione assomigliava molto alle banali reazioni chimiche che conoscevamo. A sinistra i "prodotti della reazione". A destra il risultato della reazione in questione. In modo schematico:

A combinato con B produce C più energia

La reazione di fusione che si verifica alla temperatura più bassa è quella che coinvolge due isotopi dell'idrogeno: il deuterio e il trizio (costituente ciò che si chiama idrogeno pesante), il secondo con il difetto di essere instabile, "radioattivo" (durata della vita: 12 anni). Questa temperatura è di cento milioni di gradi. Gli americani tentarono di innescare questa reazione utilizzando i raggi X prodotti dall'esplosione di una bomba a fissione, posizionando semplicemente un miscuglio deuterio-trizio "accanto" a una bomba "A", a fissione. Questa esperienza prese il nome di "Greenhouse", ovvero "serra". L'idrogeno aveva il difetto di doversi presentare in forma condensata, liquida, cioè a temperatura molto bassa. Dotata di un'ampia installazione ausiliaria di criogenia, questa prima "bomba H" non era quindi operativa.

Esisteva un'altra reazione che permetteva di utilizzare un esplosivo in forma solida: l'idruro di litio LiH. Ma la temperatura da raggiungere era cinque volte superiore: 500 milioni di gradi invece di cento. In Russia il giovane Andrej Sakharov ebbe l'idea di collocare la (piccola) bomba a fissione nel fuoco di un ellissoide che assumeva la forma di un uovo allungato, con una conchiglia cava che fungeva da riflettore rispetto ai raggi X. Tutti gli ottici del mondo lo sapevano da secoli. Posizionando una sorgente di radiazione nel primo fuoco di questa superficie ellissoidale riflettente, questa concentra la radiazione nel secondo fuoco. Sarebbe quindi bastato collocare l'estremità di una carica di idruro di litio con forma di "pan di zucchero" lì.

&&&

Montaggio Sakharov-Teller-Ulam

Negli Stati Uniti due giovani ricercatori ebrei, il primo di origine ucraina, Stanislaw Ulam:

Stanislaw Ulam

il secondo di nazionalità ungherese, Edward Teller, ebbero contemporaneamente questa idea che gli anglosassoni qualificarono di "technically sweet".

Edward Teller nel 1958, che servì da modello al personaggio del "Dottor Folamour"

e che chiamava affettuosamente la bomba H "my baby" ("il mio bambino")

(citiamo semplicemente per memoria il senso dell'umorismo piuttosto discutibile di alcuni scienziati autori di opere che trattano della nascita di tali macchine, uno di loro, Antoine Schwerer, ha dato il titolo "A fianco della mia bomba" al suo stesso libro, pubblicato nel 1990 (120 pagine))

Antoine Schwerer: "A fianco della mia bomba"

Gli americani scelsero di sperimentare prima la bomba "a idrogeno", funzionante a 100 milioni di gradi, con un miscuglio deuterio-trizio. Ma, a sorpresa generale, i sovietici saltarono questa fase, grazie ai calcoli effettuati da Andrej Sakharov, e misero in atto le prime "bombe secche", la cui carica si presentava in forma solida: l'idruro di litio. Una bomba quindi immediatamente operativa. Questo improvviso avanzamento delle forze del "blocco Est" diede il segnale di partenza di una corsa agli armamenti assolutamente sfrenata.

A questo punto il lettore deve tenere a mente questo "miscuglio miracoloso" Litio
6

• Idrogeno
  1
  che produce due nuclei di Elio
  4
  e .. nessun neutrone. Questa "bomba H" è quindi "non inquinante". Purtroppo, se un giorno gli abitanti della Terra ne subissero gli effetti, probabilmente non avrebbero molto tempo per godersene questo effetto. Se le "bombe H" sono così "inquinanti" è principalmente a causa della carica di fissione che le serve da detonatore e all'"attivazione" del riflettore in "uranio impoverito", costituito da uranio 238. Questo, assorbendo un neutrone emesso dalla reazione di fusione, si trasforma in plutonio 239 che a sua volta si fissa. Si ottiene così l'arma più orribile mai uscita dall'immaginazione umana, la bomba "FFF" (fissione - fusione - fissione), la più ricca in residui radioattivi.

Mentre i militari si impegnavano a sviluppare le loro bombe, i civili, da parte loro, tentarono di accendere un miscuglio deuterio-trizio in celle di forma toroidale, i "tokamak", inventati dal russo Artsimovitch (decisamente fantasiosi, questi russi, davvero...).

La maggior parte dei lettori conosce ora lo schema di queste macchine dove il miscuglio gassoso, portato a temperatura molto elevata, è "confinato magneticamente", cioè al centro di un avvolgimento che assume la forma di un toro (o oggi più esattamente la forma della lettera "D", che ruota intorno a un asse). Questa idea è al centro di questa cattedrale per ingegneri che porta un nome: ITER.

La macchina ITER

Nell'illustrazione sopra si distingue, in sezione, questa cella chiusa, di rivoluzione, circondata da tutti i suoi dispositivi periferici. Questa macchina prenderà il posto, sul sito francese di Cadarache, di una macchina simile, "Tore-Supra", messa in cantiere un quarto di secolo prima:

Tore Supra

Interno del Tore-Supra

Questa prima macchina francese, la cui costruzione è iniziata un quarto di secolo fa, non ha mantenuto le sue promesse. Sul disegno sopra si vedono tuttavia i numerosi aggeggi grazie ai quali si cerca di portare il plasma a temperatura elevata e che costituiscono diverse modalità per iniettare energia in questa camera toroidale (microonde, "fasci di neutroni", ecc.). Il primo risultato tangibile sarà finalmente ottenuto su una macchina inglese installata a Culham, il "JET" (Joint European Torus).

La macchina inglese JET, alta 12 metri

Il volume del plasma confinato si trova allora tra 80 e 100 metri cubi. Nel 1997 il tokamak di Culham ha funzionato per... un secondo.

L'interno del JET

Questo risultato giudicato "molto incoraggiante" ha portato ricercatori e ingegneri a proporre di "passare al livello superiore" proponendo il progetto ITER, di proporzioni ancora più imponenti.

Perché questa corsa al gigantismo?

Un tale plasma si raffredda per irraggiamento. La superficie esterna è emissiva, è lì che avviene la dispersione del calore. Questa cresce quindi con la superficie del plasma, il quadrato della dimensione caratteristica della macchina, diciamo del suo diametro, mentre la quantità di energia contenuta da questo stesso plasma varia come il suo volume, cioè come il cubo del diametro. Se una tale macchina tende a raffreddarsi per irraggiamento, aumentarne le dimensioni minimizzerà tale effetto.

Infine... tutto è relativo. Il JET ha funzionato per un tempo molto breve, poi si è spento come una vecchia caldaia, semplicemente a causa di questo raffreddamento per irraggiamento. Ma perché questo fenomeno prende così presto il sopravvento sull'energia rilasciata dalla fusione stessa? Perché il confinamento parietale, affidato al campo magnetico, è solo imperfetto. Particelle veloci riescono a "passare attraverso le maglie di questa rete" e a colpire le pareti solide della macchina. In questo modo, strappano nuclei appartenenti a questa guaina solida, tra cui nuclei di metallo, che si ionizzano immediatamente fondendosi nel plasma di fusione. Lì, questi nuclei interagiscono con gli elettroni liberi per Bremstrahlung, "radiazione di frenamento". Deviando gli elettroni leggeri dal loro percorso, li fanno emettere radiazione. Il "gas di elettroni" si raffredda. Di conseguenza, questo raffredda il miscuglio di fusione deuterio-trizio. Non appena la temperatura scende sotto i fatidici cento milioni di gradi, la macchina si spegne e si estingue, stupidamente. Il fenomeno è tanto più fastidioso quanto più il raffreddamento per irraggiamento cresce con il quadrato della carica elettrica portata dagli ioni pesanti strappati alla parete.

Il JET si è spento in questo modo, dopo un secondo di funzionamento. ITER farà altrettanto. È progettato per funzionare per cinque minuti, ma tutto indica che questo non supererà una decina di secondi. Al momento non esiste alcun sistema operativo che permetta di prevenire questo fenomeno di inquinamento del plasma di fusione e di raffreddamento per irraggiamento della "caldaia". Le soluzioni menzionate nella stampa sono solo al condizionale. Questi schemi tecnici non sono comunque alla portata di un lettore comune. Il discorso si può riassumere così:

• Gli uomini hanno bisogno di energia. Il nucleare ce ne fornisce, a patto della produzione di rifiuti radioattivi che sono molto fastidiosi, lo ammettiamo. La fusione è la via del futuro. Ma il cammino sarà lungo. ITER non raggiungerà la potenza che avrà che tra vent'anni, e allora...

E allora? Raderemo gratis? Troveremo già allora il modo di guarire il mostro dalle sue tare congenite? La sua temperatura riuscirà a mantenere il livello previsto o ci spiegheranno allora che "per far funzionare serviva una macchina ancora più grande", con un nuovo appello al portafoglio del contribuente? E cosa fare delle strutture ausiliarie attivate da un potente bombardamento di neutroni dotati di energia di 14 Mega-elettron-volt? Come prevedere la tenuta meccanica dell'enorme magnete superconduttore, il cui fragile stato fu segnalato dal premio Nobel Gilles de Gennes, rispetto a questo bombardamento inevitabile? Cosa succederebbe se questa tenuta meccanica si alterasse improvvisamente, trasformando l'oggetto in un fantastico esplosivo in grado di diffondere nell'ambiente una massa notevole di trizio radioattivo?

Non vedrete mai queste domande menzionate da nessuna parte, semplicemente perché ITER non è progettato per funzionare... a lungo, abbastanza a lungo perché il suo sistema di magnetizzazione superconduttiva non si degradi. Quando passeremo al "super-ITER", tra 25 anni, sarà sempre il momento di preoccuparsi di questo... nuovo problema.

Come direbbe il dottor Pangloss, qual è la ragione sufficiente per progetti così faraonici? Ci si aggrappa perché i bisogni energetici del pianeta sembrano insaziabili. La loro crescita si rivela vertiginosa, esponenziale. Il petrolio si sta esaurendo. Alcuni paesi, come gli Stati Uniti, possiedono importanti riserve di... carbone, ma questo ha allora il marchio blu dell'inquinamento. Dopo Charybde, Scilla.

Le "soluzioni alternative" non sembrano sufficienti, come il vento, il sole, l'energia mareomotrice, geotermica. I "ritorni sugli investimenti" non sembrano sufficienti rispetto ai bisogni degli uomini. Così il nucleare "appare come il minore dei mali". Tale è la posizione di Claude Allègre, il nostro ex ministro, moderno Pangloss tecnologico che sostiene che "tutto è per il meglio nel migliore dei possibili nuclei".

La "decrescita" è una soluzione per paesi ricchi. Non è con l'olio di colza, illuminandoci con lampade da 25 watt, andando in bicicletta e riscaldando l'acqua delle nostre vasche con pannelli solari, equipaggiando i nostri gabinetti con serbatoi a due velocità, che potremo raggiungere i bisogni planetari. Parte da un'intenzione eccellente, ma da qualunque angolo si prenda il problema è insufficiente, è un sogno per bambini ricchi.

La situazione sembra essere diventata così critica che molti paesi stanno considerando di passare al nucleare (situazione che fa orgogliare tanti responsabili francesi). La corsa alla fusione tramite macchine altrettanto problematiche come ITER rivela l'entità del malessere. È così profondo che si considerano filiere di cui non si sa quando si riveleranno redditizie e se mai lo faranno. Ma fino alla primavera del 2005 la risposta invariabile era:

• Avete qualcos'altro da proporre?

Il nucleare, in altro modo. La fusione non inquinante, esente da radioattività.

L'intero nucleare è una prospettiva terrificante. Implica l'interamento di migliaia di tonnellate di prodotti radioattivi pericolosi di durata... infinita rispetto alle brevi esistenze umane. Dopo gli incidenti di Three Mile Island e di Chernobyl sappiamo che i reattori nucleari sono pericolosi, che possono inquinare enormi territori dove nasceranno bambini malformati, dove masse di uomini e donne svilupperanno il cancro. Dove trovare questa fonte di energia magica, che la natura ci fornirebbe in abbondanza e che non inquinerebbe il nostro ambiente, non metterebbe a rischio le nostre esistenze?

Cosa di tutto rispetto, queste soluzioni esistono da mezzo secolo. La prima tra esse è proprio quella che serve da punto di partenza a ciò che è stato chiamato "la bomba all'idrogeno": la filiera Litio-idrogeno. Ricordiamo la reazione di fusione:

Litio
7

• Idrogeno
  1
  ---->
  due nuclei di Elio
  4
  e .. nessun neutrone

Unico inconveniente: è necessaria una temperatura di 500 milioni di gradi, cinque volte superiore a quella raggiunta per un secondo nel tokamak di Culham. Esiste un'altra reazione:

Boro
11

• Idrogeno
  1
  ---->
  tre
  nuclei di Elio
  4
  e .. nessun neutrone

Questa volta è necessario portare il miscuglio alla temperatura fenomenale di

mille milioni di gradi Kelvin, un miliardo di gradi!

Due volte la temperatura che regna al centro di una bomba H che abbiamo appena acceso, cinquanta volte la temperatura che regna... al centro del Sole.

Sì, molti lettori non lo sanno, le stelle non detengono il record di temperatura. Perché? Semplicemente perché se la temperatura del Sole raggiungesse i cento milioni di gradi, o anche di più, non sarebbe più una caldaia tranquilla, una pentola che cuoce lentamente, ma una... bomba. Le temperature molto elevate si trovano nell'universo nelle "supernovae", che sono stelle che esplodono. Dopo un funzionamento relativamente tranquillo, con temperature abbastanza vicine a quella menzionata in precedenza, improvvisamente si esauriscono (in pochi giorni!) di carburante. Si collassano allora come dolci a simmetria sferica, su se stesse. Più precisamente sul loro "cenere", in questo caso un nucleo di ferro i cui atomi, formati da reazioni di fusione, semplicemente sono scesi al fondo della stella per gravità.

La stella collassa su se stessa a una velocità che raggiunge centinaia di migliaia di chilometri al secondo. Questa energia cinetica si trasforma improvvisamente in temperatura e questa incredibile energia produrrà gli elementi pesanti della tavola periodica, gli atomi di cui siamo fatti, tu, io, il piombo della mia matita, l'uranio del reattore che attualmente produce l'elettricità che alimenta il mio computer.

L'Universo possiede altre fonti estremamente energetiche: i quasar. In questo caso una massa di idrogeno, destabilizzata, si accumula al centro di una galassia. L'energia cinetica acquisita da questi atomi si trasforma in calore e questa massa si trasforma in una fantastica bomba all'idrogeno, più grande del sistema solare, che emette per un breve istante tanta energia quanto tutta la galassia. Riunendo le linee del campo magnetico galattico, questo sistema si trasforma in un enorme acceleratore di particelle che emette nuclei a velocità relativistiche, secondo due getti diam