SISTEMI PER LA GENERAZIONE DI ENERGIA 1
Sistemi pre - fusione
La ricerca di fonti energetiche, affidabili e ad alto rendimento, è
una costante di tutte le civiltà della Galassia.
Solitamente tutte le civiltà seguono un cammino di sviluppo delle fonte
energetiche sostanzialmente simile, che passa attraverso alcuni stadi ben
delineati.
Ad uno stadio agricolo, pre-industriale, tutte le civiltà utilizzano
la forza generata dallo sfruttamento di animali, di norma allevati appositamente
a questo scopo; spesso succede che queste civiltà utilizzino anche
la forza di alcuni esseri senzienti, tenuti in una condizione di asservimento
all’apposito scopo di fornire una forza-lavoro qualificata e a basso
costo; più raramente accade che queste civiltà utilizzino forze
naturali, ove disponibili, come il vento o l’acqua corrente.
A queste si aggiunge una modesta quantità di energia che viene, di
solito, resa disponibile tramite la combustione di sostanze vegetali a medio-basso
potere energetico.
Al raggiungimento di uno stadio proto-industriale, le fonti energetiche precedentemente
utilizzate si rivelano insufficienti per i crescenti fabbisogni: le forze
animali vengono abbandonate a favore di altri sistemi, e la manodopera forzata
sostituita da manodopera volontaria (diviene troppo alto il rischio che un
lavoratore forzato, per protesta contro la propria condizione, effettui atti
di sabotaggio che mettano a repentaglio la continuità delle operazioni,
perciò vengono introdotte forme di miglioramento delle condizioni del
lavoratore stesso).
Anche le forze naturali si rivelano spesso insufficienti, non solo per quantità
di energia prodotta, ma soprattutto per la loro variabilità nel tempo
(corsi d’acqua in piena o in secca, vento presente o assente).
Ad un terzo stadio di sviluppo, quando la civiltà diviene pienamente
industriale, il crescente fabbisogno spinge verso forme di “energia fossile”
ad alto potere energetico e derivate da composti del carbonio: carbone (sostanze
vegetali fossilizzate) e, più tardi, petrolio (sostanze vegetali fossili
decomposte) e idrocarburi gassosi derivati dalla decomposizione del petrolio;
tutte queste sostanze vengono usualmente bruciate per produrre calore con
il quale viene poi prodotta energia da utilizzare per il movimento dei macchinari
(di solito il calore della combustione viene utilizzato per portare ad ebollizione
una massa di acqua, che si trasforma in vapore, utilizzato per muovere turbine
che producono energia elettrica che infine azione i macchinari).
I residui della combustione hanno però l’inconveniente di generare
gravi effetti di inquinamento nell’atmosfera di un pianeta, con effetti
tanto sulla qualità dell’aria e dell’ecosistema, quanto sul
clima del pianeta stesso.
Il passaggio ad un quarto stadio di sviluppo, quando cioè la civiltà da industriale diviene tecnologica, aumenta esponenzialmente la richiesta di energia.
Dapprima questa richiesta viene soddisfatta con un incremento dello sfruttamento
dei giacimenti fossili; in un secondo tempo, l’aumento dell’inquinamento
atmosferico e la riduzione di disponibilità di fonti fossili producono
un passaggio a sistemi di produzione di energia basati sulla fissione
nucleare: pile di materiale fissile vengono utilizzate al posto della
combustione, con il medesimo scopo di portare ad ebollizione masse d'acqua.
La fissione nucleare è una reazione nucleare in cui atomi di uranio
o di altri elementi pesanti adatti vengono divisi in frammenti in un processo
che libera energia.
Nella fissione nucleare, l'urto neutrone-nucleo pone il bersaglio in rapida
vibrazione. Il nucleo può talvolta rompersi in due frammenti radioattivi
che sfuggono in direzioni opposte.
L'energia liberata dalla rottura di 1 nucleo di U235 è di 211,5 MeV,
una quantità elevatissima calcolabile tramite la formula E=mc²
in cui m è la differenza di massa tra l'atomo
originale di uranio e la somma delle masse dei due frammenti rimanenti, mentre
c è la costante che rappresenta la velocità
della luce del vuoto (300.000 Km/s).
In un comune processo di combustione, l'ossidazione di un atomo di carbonio
fornisce invece un'energia di circa 4 eV.
La scissione di un nucleo forma due elementi di massa atomica inferiore all'elemento
originale ed è accompagnata dall'emissione di neutroni (in media 2,5).
I nuovi neutroni si comportano a loro volta come proiettili che colpiscono
gli atomi di uranio vicini, dando origine ad una reazione a catena.
La fissione nucleare è il procedimento su cui si basano i reattori nucleari e le bombe atomiche (o, meglio, nucleari).
Affinché una reazione, una volta innescata, possa autosostenersi è necessario che per ogni nucleo fissionato almeno uno dei neutroni prodotti vada a provocare un'altra fissione. La più piccola quantità di materiale fissile necessaria per autosostenere una reazione a catena risulta quindi
R = neutroni prodotti / neutroni perduti = 1
ed è detta massa critica.
L'uranio si trova in natura come miscela di due isotopi, U238 e U235, in rapporto di 150 a 1, e solo il secondo è fissile. È quindi necessario considerare che, in una reazione, la presenza di impurità e di alcuni atomi di U238 può bloccare alcuni neutroni e se R < 1 la reazione tende a fermarsi. Al contrario, se risulta R > 1, si stabilisce una catena incontrollata di reazione nucleari il cui sviluppo energetico porta ad una forte azione esplosiva.
La produzione di energia tramite fissione nucleare produce però due effetti collaterali, entrambi dalle conseguenze negative quando non catastrofiche.
Un primo problema riguarda le scorie
che l’uso di materiali fissili comporta, il cui stoccaggio e conservazione
in maniera non dannosa per l’ambiente e le forme di vita è spesso
problematico; inoltre errori di progettazione, manutenzione o gestione di
impianti o materiali possono provocare incidenti catastrofici di vasta portata.
Un secondo, e peggiore, problema riguarda i sottoprodotti di lavorazione dei
materiali fissili: questi sottoprodotti sono spesso instabili, e questa instabilità
viene utilizzata per la costruzione di armi di distruzione di massa di incredibile
potenza (le cosiddette bombe atomiche). Come la storia di molte civiltà
ci insegna (quella Umana e quella Vulcaniana, per limitarci alla Federazione)
l’uso di queste armi si rivela spesso una tentazione irresistibile…
con ben noti effetti sulla possibilità che queste stesse civiltà
sopravvivano all’uso di queste armi.
La crescente “fame” di energia, unita agli indesiderabili effetti secondari dell’utilizzo delle forme di produzione anzidette, normalmente spinge una civiltà a cercare soluzioni che siano al tempo stesso sicure, affidabili e senza conseguenze dannose. Di solito è a questo punto che gli scienziati di una civiltà si “accorgono” che il primario del loro sistema fornisce energia grazie ad un sistema che si alimenta per miliardi di anni grazie ad elementi facilmente disponibili e che sembrano essere privi di effetti nocivi.
È così che le civiltà cominciano a studiare il modo di riprodurre i meccanismi della fusione nucleare.
↑Fusione nucleare
La fusione nucleare consiste nell'unione di due nuclei leggeri in un nucleo più pesante.
La fusione di due nuclei di idrogeno è la principale reazione che alimenta le stelle [fusione controllata] e viene sfruttata nelle bombe nucleari all'idrogeno [fusione incontrollata].
Qualsiasi coppia di nuclei può essere forzata a fondere. Quando questo avviene il nucleo risultante ha troppi neutroni per essere stabile ed i neutroni in eccesso sono espulsi con notevole energia. I nuclei più leggeri, fondendo, producono più energia di quanta non sia servita per innescare la fusione rendendo la reazione esotermica e permettendole di auto alimentarsi.
Nel caso opposto, nuclei pesanti con troppo pochi neutroni sono instabili e finiscono per dare origine al fenomeno di fissione nucleare. Al contrario della fusione, la fissione richiede talmente poca energia che avviene spontaneamente per nuclei sufficientemente pesanti. Questo non avviene invece per la fusione dove anche il nucleo di massa minore, l'idrogeno, richiede una quantità considerevole di energia per fondere.
L'energia totale contenuta in un nucleo, cosiddetta “energia di legame”, è notevolmente superiore all'energia che, ad esempio, lega gli elettroni al nucleo. Pertanto l'energia rilasciata nella maggior parte delle reazioni nucleari è notevolmente maggiore di quella delle reazioni chimiche. Ad esempio l'energia di ionizzazione ottenuta dall'aggiunta di un elettrone all'idrogeno è di 13.6 eV mentre l'energia che viene rilasciata dalla reazione D -T (Deuterio -Trizio) è pari a 17 MeV (più di un milione di volte superiore).
Le principali difficoltà che si incontrano nell’avviare una Fusione Calda Controllata dipendono dalle variabili in gioco: densità dei nuclei da fondere e temperatura della miscela sono le principali e quelle più facilmente controllabili.
Data la difficoltà che, inizialmente, tutte le civiltà incontrano nella creazione di una fusione nucleare “calda” controllata, di solito si assiste a tentativi di sviluppare una forma di fusione nucleare che operi a temperatura ambiente, la cosiddetta “Fusione Fredda”, che tuttavia ha una capacità di fornire energia di gran lunga inferiore ad una fusione calda.
L’aumento della densità dei nuclei e della loro energia termica in un luogo circoscritto genera a sua volta il problema del “confinamento”, che può avere tre tipi di risposta: il confinamento gravitazionale, quello inerziale e quello magnetico.
Il confinamento gravitazionale si basa sul principio della reazione di fusione stellare: una massa sufficiente di materia da fondere genera una attrazione gravitazionale centripeta (verso il proprio centro di massa) che contrasta con la spinta centrifuga generata dalla fusione stessa. Inoltre, è la stessa spinta centripeta a generare la densità sufficiente ad autoalimentare la reazione. Benché questa sia la formula preferibile, in quanto stabile ed autonoma in maniera “naturale”, è anche la più difficile da raggiungere, specialmente per quelle civiltà che non abbiano sistemi di controllo della gravità.
Il confinamento inerziale si basa sul principio dell’onda d’urto o di compressione, che mantiene stabile all’interno di un volume circoscritto la reazione di fusione. Purtroppo, l’unica forza nota in grado di contenere, o quanto meno di indirizzare, una reazione di fusione è una esplosione nucleare (è questo, in effetti, il principio che permette di innescare un’esplosione termonucleare: l’onda d’urto di una piccola testata all’uranio comprime i nuclei – di solito idrogeno - di una ben più grande testata termonucleare, fondendoli), il che all’atto pratico rende inutilizzabile questa teoria.
Il confinamento magnetico si basa sulla presenza di potenti campi magnetici, di tipo sferico o toroidale, che hanno lo scopo di contenere sia il calore sia il plasma generato dalla fusione.
A bordo della proprie navi, la Flotta Stellare installa abitualmente alcuni reattori a fusione (il numero totale dipende dal tipo di nave e dalla richiesta di energia dei sistemi di bordo) con un duplice scopo: fornire energia quando la produzione del nucleo a curvatura sia insufficiente o non possibile, e fornire plasma per le bobine di spinta dei motori a impulso.
I reattori a fusione delle navi della Flotta Stellare sono alimentati dallo stesso deuterio utilizzato dal nucleo a curvatura, preriscaldato prima dell’immissione nel reattore.
Il reattore di fusione vero e proprio è una camera sferica, di 6 metri
di diametro; la parete esterna è composta da otto strati incrociati
di excelinide di hafnium, dallo spessore totale di 67.4 cm, mentre internamente
si trova una parete di rinforzo in fluoride di gulium cristallino spessa 40 cm.
La parete della sfera è attraversata da fori guida per permettere il
passaggio del deuterio, degli iniziatori di fusione, del plasma prodotto e
dei gruppi di sensori che controllano la fusione stessa.
Il problema del contenimento è stato risolto dalla Flotta Stellare combinando la tecnologia gravitazionale e quella magnetica.
In primo luogo, per proteggere la superficie interna della sfera dalle enormi
temperature sviluppate dalla fusione, nello stato di gulium cristallino sono
annegati migliaia di microemettitori di campo magnetico, che generano uno
scudo sferico che, in effetti, impedisce al plasma di toccare le pareti del
reattore. Analoghi emettitori sono annegati nei condotti che trasferiscono
il plasma verso le bobine di spinta dei motori a impulso e verso la rete EPS.
Inoltre, per diminuire la temperatura complessivamente necessaria alla reazione
di fusione, e per concentrarla al centro della camera invece che verso le
pareti, agli emettitori di campo magnetico sono accoppiati dei generatori
di gravitoni ad alta focalizzazione, che incrociano i loro flussi nel centro
preciso del reattore, simulando su piccola scala quello che accade al centro
delle stelle.
Sui vascelli di classe
Sovereign ognuno dei due motori ad impulso posti sul bordo d’uscita
della Sezione a Disco è accoppiato a 8 reattori a fusione; poiché
ognuno dei reattori a fusione può generare una potenza di quasi 1200
Mw, la potenza totale di ogni motore raggiunge quasi i 10.000 Mw, più
di 3 volte la potenza di spinta dei motori ad impulso di una classe Galaxy, che inoltre ha un massa quasi doppia.
Questa enorme potenza di spinta è ciò che contribuisce all’incredibile
manovrabilità delle navi di classe Sovereign rispetto a vascelli di
dimensioni comparabili.
Oltre ai sedici reattori accoppiati direttamente ai motori ad impulso, un
vascello di classe Sovereign ha altri 8 reattori a fusione di deuterio, distribuiti
in due gruppi di quattro reattori ciascuno, nello scafo secondario. Normalmente
questi reattori hanno la funzione di fornire energia ai sistemi di bordo quando
quella prodotta dal nucleo a curvatura non è disponibile, ma la produzione
di plasma energetico può essere integralmente indirizzata verso i motori
ad impulso.
In questo caso, a causa di leggere perdite di potenza lungo il percorso delle
guide del plasma, la potenza che arriva ai motori non è tutta quella
generata dai reattori, ma si riesce comunque a raggiungere un output di potenza
pari al 147% di quello fornito dai soli reattori della Sezione a Disco.
Comunque, l’eccesso di plasma in uscita tende a danneggiare gli elementi
direzionali di spinta dei motori ad impulso, per cui questo tipo di utilizzo
è raccomandato solo in situazioni di emergenza.
NOTA TECNICA: le navi della Flotta Stellare alimentano i propri reattori a fusione con il deuterio contenuto nei serbatoi criogenici che alimentano anche il nucleo a curvatura; si parla perciò, tecnicamente, di ciclo “Deuterio - Deuterio” [D - D]; le navi Klingon utilizzano invece un ciclo D -T [Deuterio-Trizio] che fornisce maggior energia, anche se obbliga ad avere serbatoi separati per i due carburanti. Durante la Guerra del Dominio l’Alleanza ha scoperto che i sistemi alimentati dal ciclo D -T erano immuni agli affetti delle armi a smorzamento di campo utilizzate dai Breen nelle fasi finali del conflitto.
