Gestione del calore di fusione: trasformare 150 milioni di °C di plasma in elettricità utilizzabile
Introduzione
Ogni volta che osserviamo il cielo stellato, la luce e il calore che vediamo sono essenzialmente il risultato di continue reazioni di fusione nucleare all'interno delle stelle. Simulare questo processo per fornire all'umanità energia pulita e illimitata è un obiettivo della comunità scientifica da decenni. Sulla Terra, "ricreare il Sole" comporta sfide ingegneristiche che vanno ben oltre l'accensione della fiamma di fusione: gestire in modo sicuro, continuo ed efficiente l'enorme calore generato dalla reazione è uno degli ostacoli più grandi.
Panoramica sulla reazione di fusione nucleare
La fusione nucleare è il processo in cui due nuclei atomici leggeri si combinano per formare un nucleo più pesante, liberando un'enorme quantità di energia. L'energia del Sole e di tutte le stelle deriva da questo processo. Nel nucleo del Sole, il confinamento gravitazionale consente la fusione sostenuta a circa 15 milioni di gradi Celsius sotto pressione estrema.
Sulla Terra, non possiamo fare affidamento sulla gravità su scala solare. Per ottenere una fusione controllata, vengono utilizzati altri metodi per creare e mantenere le condizioni di reazione. Le principali soluzioni tecniche sono il confinamento magnetico (come i dispositivi tokamak) e il confinamento inerziale (come la fusione laser).
Indipendentemente dall'approccio, per ottenere un guadagno energetico netto efficace è necessario che il plasma di fusione soddisfi il criterio di Lawson: il prodotto di temperatura, densità e tempo di confinamento dell'energia deve raggiungere un valore critico. Quando l'energia rilasciata dalla fusione, in particolare quella trasportata dalle particelle cariche, riscalda a sufficienza il plasma stesso, la reazione può autosostenersi.
L'essenza e la distribuzione della generazione di calore
Nella reazione di fusione deuterio-trizio (DT), la più promettente per la commercializzazione a breve termine, ogni reazione rilascia circa 17,6 MeV di energia. Questa energia non viene rilasciata uniformemente, ma è trasportata principalmente da due prodotti: neutroni (circa 14,1 MeV) e particelle alfa (circa 3,5 MeV).
I neutroni, essendo privi di carica, interagiscono appena con i campi magnetici e fuoriescono direttamente dal plasma, penetrando la struttura del mantello circostante. Lì, i neutroni rallentano attraverso reazioni nucleari con i materiali del mantello (litio, piombo, berillio, ecc.) e depositano la loro energia cinetica, convertendola per la maggior parte in energia termica. Questa porzione rappresenta circa l'80% dell'energia di fusione totale rilasciata e costituisce la principale fonte di energia di fusione utilizzabile.
Le particelle alfa cariche sono confinate dal campo magnetico, depositando la maggior parte della loro energia all'interno del plasma per autoriscaldarsi, riducendo la necessità di energia termica esterna. Inoltre, il plasma perde parte della sua energia attraverso la radiazione, che colpisce direttamente la prima parete più interna.
Pertanto, l'utilizzo efficiente dell'energia di fusione dipende dal trasferimento affidabile ed efficiente del calore depositato dai neutroni nella coperta e del calore delle radiazioni/particelle sulla prima parete in elettricità tramite un robusto sistema di trasferimento e conversione del calore.
Collegamenti chiave nel trasferimento di calore
Il refrigerante ad alta temperatura trasporta calore che deve essere trasferito al successivo sistema di conversione dell'energia, per cui sono necessari scambiatori di calore che colmino questa lacuna.
Ruolo dello scambiatore di calore
Nei sistemi di conversione dell'energia da fusione, gli scambiatori di calore trasferiscono il calore dal refrigerante ad alta temperatura a un fluido di lavoro (tipicamente acqua o un altro fluido idoneo). Il fluido di lavoro assorbe calore e subisce un cambiamento di fase, passando da liquido a vapore ad alta temperatura e alta pressione.
Similmente ai reattori ad acqua pressurizzata nelle centrali elettriche a fissione, il refrigerante ad alta temperatura del circuito primario scambia calore con l'acqua del circuito secondario, vaporizzandola per produrre vapore per la generazione di energia a valle.
Cicli avanzati: ciclo Brayton a CO₂ supercritica
Negli ultimi anni, il ciclo Brayton ad anidride carbonica supercritica (sCO₂) si è affermato come un'opzione interessante. Ad alte temperature, la CO₂ raggiunge un'efficienza del ciclo termico superiore rispetto ai tradizionali cicli a vapore, potenzialmente superiore al 40%, con apparecchiature più compatte.
Obiettivi e sfide della gestione del calore di fusione
L'obiettivo della gestione del calore di fusione è convertire in modo sicuro ed efficiente l'energia termica depositata dai neutroni e dalle radiazioni in risorse elettriche e termiche utilizzabili. Il raggiungimento di questo obiettivo si basa su innovazioni nei materiali resistenti alle alte temperature e alle radiazioni, soluzioni di raffreddamento efficienti e affidabili, integrazione di cicli termici avanzati e miglioramenti globali nella sicurezza e nella manutenibilità del sistema.
Gli attuali sforzi internazionali, come l'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) e i reattori sperimentali nazionali per l'ingegneria della fusione (ad esempio, il CFETR cinese), stanno conducendo ampi esperimenti e convalide in queste direzioni.
A proposito di Shenshi
Fondata nel 2005, Hangzhou Shenshi Energy Conservation Technology Co., Ltd. (SHENSHI) è un'azienda high-tech specializzata in tecnologie di trasferimento termico e microreazione ad alta efficienza energetica. Pioniere nella gestione termica a basse emissioni di carbonio, Shenshi progetta e produce scambiatori di calore e microreattori ad alte prestazioni per settori quali l'energia, l'ingegneria navale e offshore, l'idrogeno, la farmaceutica e la produzione avanzata.
Con soluzioni distribuite in oltre 40 paesi, Shenshi si impegna a fornire tecnologie termiche affidabili, efficienti e sostenibili per applicazioni industriali impegnative.