Cercasi Trizio disperatamente

(«Science», Vol 376, Issue 6600) Nel 2020, i Canadian Nuclear Laboratories hanno consegnato cinque fusti d'acciaio, rivestiti di sughero per assorbire gli urti, al Joint European Torus (JET), un grande reattore a fusione nel Regno Unito. All'interno di ogni fusto c'era un cilindro d'acciaio delle dimensioni di una lattina di Coca-Cola, che conteneva un filo di idrogeno gassoso di solo 10 grammi, il peso di un paio di fogli di carta. Questo non era idrogeno ordinario ma il suo raro isotopo radioattivo trizio, in cui due neutroni e un protone si aggrappano nel nucleo. A $ 30.000 al grammo, è prezioso quasi quanto un diamante, ma per i ricercatori sulla fusione vale la pena pagare il prezzo. Quando il trizio viene combinato ad alte temperature con il suo fratello deuterio, i due gas possono bruciare come il Sole. La reazione potrebbe fornire abbondante energia pulita, non appena gli scienziati della fusione capiranno come accenderla in modo efficiente. L'anno scorso, il trizio canadese ha alimentato un esperimento al JET dimostrando che la ricerca sulla fusione si sta avvicinando a una soglia importante: produrre più energia di quella che va sprecata nelle reazioni. Raggiungendo un terzo del punto di pareggio, JET ha assicurato che ITER, un reattore simile al JET, ma dalle dimensioni doppie, in costruzione in Francia, supererà il pareggio quando inizierà a bruciare deuterio e trizio (DT) nel prossimo decennio. "Quello che abbiamo trovato corrisponde alle previsioni", afferma Fernanda Rimini, esperta di operazioni plasma di JET. Ma quel risultato potrebbe essere una vittoria di Pirro. Si prevede che ITER consumerà la maggior parte del trizio del mondo, lasciando poco per i reattori successivi. I sostenitori della fusione spesso si vantano che il carburante per i loro reattori sarà economico e abbondante. Questo è certamente vero per il deuterio: circa uno su 5000 atomi di idrogeno degli oceani è deuterio e si vende a circa $ 13 al grammo. Ma il trizio, con un'emivita di 12,3 anni, esiste in natura solo in tracce nell'atmosfera superiore, come prodotto del bombardamento dei raggi cosmici. Anche i reattori nucleari ne producono piccole quantità, ma pochi le raccolgono. La maggior parte degli scienziati della fusione ignora il problema, sostenendo che i futuri reattori possono generare il trizio di cui hanno bisogno. I neutroni ad alta energia rilasciati nelle reazioni di fusione possono dividere il litio in elio e trizio se la parete del reattore è rivestita di metallo. Nonostante la richiesta per le batterie delle auto elettriche, il litio è relativamente abbondante. Ma c'è un problema: per generare il trizio è necessario un reattore a fusione funzionante e potrebbe non esserci abbastanza trizio per far ripartire la prima generazione di centrali elettriche. Le uniche fonti commerciali al mondo sono i 19 reattori nucleari Canada Deuterium Uranium (CANDU), che ne producono ciascuno circa 0,5 chilogrammi all'anno come prodotto di scarto, ma la metà di questi reattori dovrebbe andare in pensione questo decennio. Secondo le proiezioni del piano di ricerca 2018 di ITER, le scorte di trizio disponibili, che oggi si ritiene ammontino a circa 25 chilogrammi, raggiungeranno il picco prima della fine del decennio e poi inizieranno un declino costante man mano che verranno vendute (e destinate, quindi, a decadere). I primi esperimenti di ITER utilizzeranno idrogeno e deuterio e non produrranno energia netta. Ma una volta che inizieranno a produrre energia con la coppia deuterio-trizio, secondo Alberto Loarte, capo della divisione scientifica di ITER, ci si aspetta che il reattore consumi fino a 1 chilogrammo di trizio all'anno. "Consumerà una quantità significativa di ciò che è disponibile", ha affermato. Gli scienziati della fusione che desidereranno accendere i reattori in seguito, potrebbero scoprire che ITER si è già bevuto la loro parte. Ad aggravare il problema, alcuni credono che la generazione del trizio, mai testata in un reattore a fusione, potrebbe non essere per nulla sufficiente. In una recente simulazione a Los Angeles, l'ingegnere nucleare Mohamed Abdou dell'Università della California, e i suoi colleghi hanno scoperto che nel migliore dei casi un reattore per la produzione di energia potrebbe produrre solo poco più del trizio di cui ha bisogno per alimentarsi. Perdite di trizio o arresti prolungati per manutenzione intaccheranno ulteriormente quel margine già ristretto. La scarsità di trizio non è l'unica sfida che la fusione deve affrontare; bisogna anche imparare a gestire operazioni instabili, esplosioni turbolente di plasma e danni da neutroni Ma per Daniel Jassby, fisico del plasma in pensione dal Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e noto critico dell'energia della fusione deuterio-trizio, la questione del trizio è primaria. Potrebbe essere fatale per l'intera impresa, dice. "Questo rende impossibili i reattori a fusione di deuterio-trizio". Se non fosse per i reattori CANDU, la fusione deuterio-trizio sarebbe un sogno irraggiungibile. "Il colpo di fortuna per la fusione è che i reattori CANDU producono trizio come sottoprodotto", afferma Abdou. Molti reattori nucleari utilizzano acqua normale per raffreddare il nucleo e "moderare" la reazione a catena, rallentando i neutroni in modo che abbiano maggiori probabilità di innescare la fissione. I reattori CANDU utilizzano, invece, acqua pesante, in cui il deuterio prende il posto dell'idrogeno, perché assorbe meno neutroni, lasciandone di più per la fissione. Occasionalmente, un nucleo di deuterio cattura un neutrone e si trasforma in trizio. Se si accumula troppo trizio nell'acqua pesante, ci può essere rischio di radiazioni, quindi periodicamente gli operatori inviano la loro acqua pesante alla società di servizi pubblici Ontario Power Generation (OPG) per essere "de-trizizzata". OPG filtra il trizio e ne vende circa 100 grammi all'anno, principalmente come radioisotopo medico, per quadranti che si illuminano al buio e per segnaletica di emergenza. "È davvero una bella storia di prodotto di scarto", afferma Ian Castillo dei Canadian Nuclear Laboratories, che funge da distributore di OPG. I reattori a fusione aumenteranno significativamente la domanda. Il vicepresidente di OPG Jason Van Wart prevede di spedire fino a 2 chilogrammi all'anno a partire dagli anni '30 del 2000, quando ITER e altre startup di fusione hanno pianificato di iniziare a bruciare trizio. "Il nostro proposito è estrarre tutto ciò che possiamo", ha dichiarato. Una volta che ITER avrà terminato i lavori, a metà del secolo, rimarranno, secondo le proiezioni di ITER, 5 chilogrammi o meno di trizio. Nella peggiore delle ipotesi, "sembrerebbe che non ci sia trizio sufficiente per soddisfare la domanda di fusione dopo ITER", ammette Gianfranco Federici, responsabile della tecnologia di fusione presso l'agenzia di ricerca EuroFusion. Alcune società private stanno progettando reattori a fusione più piccoli che sarebbero più economici da costruire e, almeno inizialmente, utilizzeranno meno trizio. Commonwealth Fusion Systems, una startup del Massachusetts, afferma di aver già assicurato forniture di trizio per il suo prototipo compatto e i primi reattori dimostrativi, che dovrebbero richiedere meno di 1 chilogrammo di isotopo durante lo sviluppo. Ma i reattori di prova più grandi e finanziati con fondi pubblici pianificati da Cina, Corea del Sud e Stati Uniti potrebbero aver bisogno di diversi chilogrammi ciascuno. Ne sarà necessario ancora di più per avviare il successore pianificato di EuroFusion di ITER, un enorme impianto chiamato DEMO. Pensato come centrale elettrica funzionante, dovrebbe essere fino al 50% più grande di ITER, per fornire 500 megawatt di elettricità alla rete. I reattori a fusione generalmente necessitano di una grande fornitura di trizio all'avvio perché le giuste condizioni per la fusione si verificano solo nella parte più calda del plasma dei gas ionizzati. Ciò significa che molto poco del trizio nel recipiente del reattore a forma di ciambella, o toroidale, viene bruciato. I ricercatori si aspettano che ITER bruci meno dell'1% del trizio iniettato; il resto si diffonderà fino al bordo della ciambella e sarà spazzato via in un sistema di riciclaggio, che rimuove l'elio e altre impurità dai gas di scarico, come miscela di deuterio-trizio. Gli isotopi vengono quindi separati e reimmessi nel reattore. Questo processo può richiedere alcune ore o, forse, giorni. I progettisti di DEMO stanno lavorando su modi per ridurre le esigenze di avvio. "Dobbiamo arrivare a un basso quantitativo di trizio [di partenza]", afferma Christian Day del Karlsruhe Institute of Technology, leader del progetto nella progettazione del ciclo del carburante di DEMO: "Se, per cominciare, hai bisogno di 20 chilogrammi, diventa un bel problema". Un modo per tenere a freno la domanda è sparare pellet di combustibile congelato più in profondità nella zona di combustione del reattore, dove bruceranno in modo più efficiente. Un altro è ridurre il tempo di riciclaggio a soli 20 minuti, utilizzando fogli di metallo come filtri per eliminare rapidamente le impurità o anche reimmettere gli isotopi di idrogeno nella macchina senza separarli. Potrebbe non essere un perfetto mix 50-50 di deuterio-trizio , ma per un reattore funzionante sarà quasi lo stesso, dice Day. Ma Abdou dice che è probabile che l'appetito di DEMO sia ancora grande. Lui e i suoi colleghi hanno modellato il ciclo del combustibile deuterio-trizio per i reattori di produzione di energia, inclusi DEMO e i suoi successori. Hanno stimato diversi fattori, tra cui l'efficienza della combustione del carburante deuterio-trizio, il tempo necessario per riciclare il carburante incombusto e la frazione di tempo in cui il reattore funzionerà. In un articolo pubblicato nel 2021 su Nuclear Fusion, il team conclude che la sola DEMO richiederà tra 5 chilogrammi e 14 chilogrammi di trizio per iniziare, più di quanto sarà probabilmente disponibile quando si prevede che il reattore entrerà in funzione alla metà del secolo. Anche se il team DEMO e altri progettisti di reattori post-ITER possono ridurre il loro fabbisogno di trizio, la fusione non avrà futuro se la coltivazione del trizio non funziona. Secondo Abdou, un impianto di fusione commerciale che produce 3 gigawatt di elettricità brucerà 167 chilogrammi di trizio all'anno, cioè la produzione di centinaia di reattori CANDU. La sfida per la coltivabilità sta nel fatto che la fusione non produce abbastanza neutroni, a differenza della fissione, dove la reazione a catena ne rilascia un numero esponenzialmente crescente. Con la fusione, ogni reazione deuterio-trizio produce solo un singolo neutrone, che può generare un singolo nucleo di trizio. Poiché i sistemi di riproduzione non possono catturare tutti questi neutroni, hanno bisogno dell'aiuto di un moltiplicatore di neutroni, cioè di un materiale che, quando è colpito da un neutrone, ne restituisce due in cambio. Gli ingegneri hanno in programma di mescolare il litio con materiali moltiplicatori come il berillio o il piombo nelle coperte che rivestono le pareti dei reattori. ITER sarà il primo reattore a fusione a sperimentare le coperte di riproduzione. I test includeranno coperte liquide (miscele fuse di litio e piombo) e solidi "letti di ciottoli" (sfere di ceramica contenenti litio mescolate con sfere di berillio). A causa dei tagli ai costi, i sistemi autofertilizzanti di ITER rivestiranno solo 4 metri quadrati dei 600 metri quadrati interni del reattore. I reattori a fusione dopo ITER dovranno coprire quanta più superficie possibile per avere qualche possibilità di soddisfare i loro bisogni di trizio. Il trizio può essere estratto continuativamente o durante le fermate programmate, a seconda che il litio sia in forma liquida o solida, ma la generazione deve essere incessante. Le coperte riproduttive hanno anche un secondo lavoro: assorbire gigawatt di potenza dai neutroni e trasformarla in calore. I tubi che trasportano acqua o elio pressurizzato attraverso le coperte calde raccolgono il calore e producono vapore che aziona le turbine che producono elettricità. "Tutto questo all'interno dell'ambiente di un reattore a fusione, con il suo supervuoto, il bombardamento di neutroni e l'alto campo magnetico, – afferma Mario Merola, responsabile della progettazione ingegneristica di ITER – è una sfida ingegneristica". Per Abdou e i suoi colleghi, è più di una sfida: potrebbe anche essere un'impossibilità. La loro analisi ha rilevato che con la tecnologia attuale, ampiamente definita da ITER, le coperte da riproduzione potrebbero, nella migliore delle ipotesi, produrre il 15% in più di trizio di quanto ne consuma il reattore. Ma lo studio ha concluso che è più probabile che la cifra sia addirittura del 5%, un margine preoccupantemente piccolo. Un fattore critico identificato è il tempo di fermata del reattore, quando la riproduzione del trizio si interrompe ma l'isotopo continua a decadere. La sostenibilità può essere garantita solo se il reattore funziona per più del 50% del tempo, un'impossibilità virtuale per un reattore sperimentale come ITER e difficile per prototipi come DEMO che richiedono tempi di fermata per ritocchi per ottimizzare le prestazioni. Se le ciambelle toroidali esistenti sono una guida, dice Abdou, è probabile che il tempo tra i guasti sia di ore o giorni e che le riparazioni possano richiedere mesi, ne conclude che i futuri reattori potrebbero avere difficoltà a funzionare più del 5% delle volte. Per rendere sostenibile l’autofertilizzazione gli operatori dovranno anche controllare le perdite di trizio. Per Jassby, questo è il vero killer. Il trizio è noto per permeare le pareti metalliche di un reattore, per poi sfuggire attraverso minuscole fessure. L'analisi di Abdou ha ipotizzato un tasso di perdita dello 0,1%. "Non credo che sia realistico – dice Jassby – pensa a tutti i posti dove può ficcarsi il trizio, mentre si muove attraverso il complesso reattore e il sistema di ritrattamento. Non possiamo permetterci di perdere trizio." Due enti privati che si occupano di fusione hanno deciso di rinunciaredel tutto al carburante al trizio. TAE Technologies, una startup californiana, prevede di utilizzare idrogeno e boro semplici, mentre una startup dello stato di Washington, Helion, fonderà deuterio ed elio-3, un raro isotopo dell'elio. Queste reazioni richiedono temperature più elevate rispetto a deuterio-trizio, ma le aziende pensano che sia un prezzo che vale la pena pagare per evitare i problemi del trizio. "L'esistenza della nostra azienda è dovuta al fatto che il trizio è scarso e fonte di problemi", afferma il CEO di TAE Michl Binderbauer. Le reazioni alternative di fusione hanno l'ulteriore attrattiva di produrre un numero inferiore o addirittura nullo di neutroni, il che evita il danno materiale e la radioattività minacciati dall'approccio deuterio-trizio. Binderbauer afferma che l'assenza di neutroni dovrebbe consentire ai reattori di TAE, che stabilizzano gli anelli rotanti di plasma con fasci di particelle, di durare 40 anni. La sfida è la temperatura: mentre deuterio-trizio si fonde a 150 milioni di gradi Celsius, idrogeno e boro richiedono 1 miliardo di gradi. Il carburante di deuterio ed elio-3 di Helion brucia a soli 200 milioni di gradi, utilizzando anelli di plasma simili a quelli di TAE ma compressi con campi magnetici. Ma l'elio-3, sebbene stabile, è raro e difficile da acquisire quanto il trizio. La maggior parte delle sue fonti commerciali dipendono dal decadimento del trizio, tipicamente da scorte militari. Il CEO di Helion, David Kirtley, afferma, tuttavia, che aggiungendo deuterio extra nella miscela di carburante, il suo team può generare reazioni di fusione deuterio- deuterio che generano elio-3. "È un sistema a costi molto più bassi, più facile da rifornire, più facile da usare", afferma. Tuttavia, i sostenitori della fusione deuterio-trizio convenzionale ritengono che le forniture di trizio potrebbero essere ampliate costruendo più reattori a fissione. I militari di tutto il mondo usano il trizio per aumentare la resa delle armi nucleari e hanno accumulato le proprie scorte di trizio utilizzando reattori nucleari commerciali appositamente costruiti o adattati. Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), ad esempio, fa affidamento su reattori commerciali - Watts Bar Units 1 e 2, gestiti dalla Tennessee Valley Authority - in cui le barre di controllo del litio hanno sostituito alcune di quelle al boro. Le bacchette vengono occasionalmente rimosse e lavorate per estrarre il trizio. Il DOE ha fornito PPPL con trizio negli anni '80 e '90, quando il laboratorio aveva un reattore a combustione deuterio-trizio. Ma Federici non pensa che l'agenzia, o le forze armate di tutto il mondo, si occuperanno della vendita dell'isotopo. "È improbabile che le scorte di trizio per la difesa vengano mai condivise", afferma. Forse il mondo potrebbe vedere una rinascita della tecnologia CANDU. La Corea del Sud ha quattro reattori CANDU e un impianto per l'estrazione del trizio ma non lo vende commercialmente. La Romania ne ha due e sta lavorando a una struttura al trizio. La Cina ha un paio di CANDU e l'India ha costruito una manciata di derivati CANDU. La loro produzione di trizio potrebbe essere turbocompressa aggiungendo barre di litio ai loro nuclei o dopando il moderatore di acqua pesante con il litio. Ma un articolo del 2018 su Nuclear Fusion di Michael Kovari del Culham Center for Fusion Energy e colleghi sostiene che tali modifiche probabilmente incontrerebbero barriere normative perché potrebbero compromettere la sicurezza del reattore e a causa dei pericoli del trizio stesso. Alcuni affermano che i reattori a fusione potrebbero creare il proprio trizio di avvio funzionando solo con deuterio. Ma le reazioni deuterio-deuterio sono estremamente inefficienti alle temperature delle ciambelle e invece di produrre energia consumerebbero enormi quantità di elettricità. Secondo lo studio di Kovari, l'allevamento di trizio deuterio-deuterio potrebbe costare 2 miliardi di dollari per chilogrammo prodotto. Tutte queste soluzioni "pongono notevoli difficoltà economiche e normative", afferma Kovari. Nel corso dei decenni di ricerca sulla fusione, i fisici del plasma si sono centrati sul raggiungimento del punto di pareggio e la produzione di energia in eccesso. Hanno sottovalutato altri problemi, come quello di acquisire abbastanza trizio, considerandoli solo di ingegneria "banale", dice Jassby. Ma mentre i reattori si avvicinano al pareggio, ingegneri nucleari come Abdou affermano che è ora di iniziare a preoccuparsi di dettagli ingegneristici tutt'altro che banali. "Lasciarli [li] fino all’ultimo momento sarebbe un enorme errore". Daniel Cary