Il reattore ARC & Iron Man

“E io… sono… Iron Man !”

Con queste parole in Avengers: Endgame il “genio, miliardario, playboy e filantropo” Tony Stark ci lasciava, in un atto di sacrificio talmente eroico da far tremare l’intera linea temporale. Nel 2019 l’attore Robert Downey Junior concludeva così un arco narrativo lungo ben 11 anni. Nonostante la prematura dipartita, il suo ricordo è rimasto vivo come non mai, sempre presente in tutti i prodotti Marvel degli anni successivi.

Molti aspetti scientifici hanno fatto da sfondo alle storie fantastiche narrate dalla matita di figure di spicco, come quella del compianto Stan Lee (creatore di Iron Man), tra le quali spicca l’energia da fusione nucleare.

Nel Multiverso Marvel eroi o si nasce o si diventa. Nel caso di Tony Stark, la scelta di diventare “super” è stata dettata da questioni di sopravvivenza. Ridotto in fin di vita dall’esplosione di un ordigno durante un’imboscata in Afghanistan, viene fatto prigioniero da un gruppo terroristico denominato I Dieci Anelli. Per prevenire la diffusione delle schegge della mina nel suo cuore, il brillante inventore realizza il primo prototipo di reattore ARC, un minireattore costruito con scarti di materiali bellici ed essenziale per alimentare l’elettromagnete presente nel suo petto che impedisce ai corpi estranei di causargli un arresto cardiaco. Col tempo, il reattore ARC diventerà la sorgente di alimentazione della ben nota armatura rossa e gialla.

Benché ad oggi siamo lontani dal poter miniaturizzare macchine così complesse, la ricerca nel campo della fusione nucleare sta progredendo spedita, al punto da aver messo in piedi un primo progetto di reattore ARC, che presto entrerà in funzione. Ma come funziona questa tecnologia e quanto si discosta dal modello fumettistico? Scopriamolo insieme!

Il reattore a fusione ARC secondo l’MIT

Il reattore a fusione ARC (acronimo di Affordable, Robust, Compact, ossia economico, robusto e compatto) è un progetto molto ambizioso, sviluppato dal Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del Massachussetts Institute of Technology (MIT) (schematizzato in Figura 1). La denominazione del dispositivo è un chiaro tributo al nostro Tony Stark che, secondo i fumetti, aveva frequentato l’MIT da giovane.

L’obiettivo dell’impresa è quello di realizzare un reattore a fusione di tipo Tokamak con miscela Deuterio-Trizio (D-T) tradizionale, ma estremamente compatto rispetto agli standards attuali ed in grado di generare il triplo dell’energia immessa al suo avvio (ossia un fattore guadagno pari a 3, se volete saperne di più, vi rimandiamo al nostro articolo “Il Breeding Blanket (BB) Per L’autosufficienza Della Fusione Nucleare”. A differenza del suo fratello maggiore ITER (vedi Materiali Superconduttori Per ITER), il reattore ARC utilizza dei magneti superconduttori ad alta temperatura (HTS), da implementare in un dispositivo molto più economico, visto il diametro dimezzato rispetto a quello presente in ITER.

I magneti superconduttori adottati sono in ossido di rame, di bario e di terre rare (indicati con l’acronimo ReBCO, Rare earth Barium Copper Oxide) (vedi Figura 2) e sono molto più prestanti di quelli convenzionali, riuscendo a raggiungere picchi di intensità di campo magnetico pari a 23 Tesla. Quando il reattore è spento, gli avvolgimenti dei magneti ReBCO possono essere aperti e ripiegati, garantendo una maggiore flessibilità rispetto agli inamovibili magneti in ITER.

Tra i refrigeranti adatti si annoverano l’idrogeno liquido, il neon liquido o l’elio gassoso, a differenza del tradizionale elio liquido proprio di ITER.

L’interesse per il progetto ha portato alla nascita di alcuni prototipi, tra cui il più promettente sembra essere il reattore SPARC.

Il reattore a fusione ARC di tipo SPARC

Il primo dimostratore, denominato SPARC (acronimo di As Soon As Possible ARC, ossia un reattore ARC quanto prima possibile) è in fase di costruzione ad opera della Commonwealth Fusion Systems (CSF) e con il supporto finanziario di numerose organizzazioni, tra cui l’italiana ENI. Si stima che esso potrà entrare in funzione proprio nel 2025.

Un primo segnale di fattibilità dell’impresa è arrivato il 15 Settembre 2021, quando, per la prima volta nella storia, un magnete superconduttore ad alta temperatura ha raggiungo il picco dei 20 Tesla.

La peculiarità di tali magneti è quella di generare campi molto più forti in volumi significativamente ridotti. Per un termine di paragone, questi dispositivi consentirebbero di ottenere standards prestazionali pari a reattori con magneti a bassa temperatura (LTS) 40 volte più grandi !

Nello specifico, SPARC utilizza magneti superconduttori ad alta temperatura (vedi Figura 3) con ossido di rame, bario e ittrio (YBCO) che riescono ad operare in una finestra termica tra i 10 K ed i 77 K.

Il reattore ARC secondo Iron Man

Nonostante sia oggetto della fantasia fumettistica, alcuni studiosi hanno cercato di ipotizzare il funzionamento del reattore ARC ideato da Tony Stark per capire se la sua costruzione sia fisicamente possibile.

Con buona probabilità, tale macchina rappresenterebbe una cella a decadimento di più isotopi.

Nella sua prima versione di dimensione industriale, come quella vista nel film Iron Man (2008), ricorda un classico reattore a fusione “a caldo” di tipo Tokamak (vedi Figura 4). Il combustibile impiegato rimane la miscela D-T che deve essere confinata all’interno di una camera toroidale per poter consentire la reazione tra i due isotopi dell’idrogeno e la conseguente generazione di energia termica. 

Tuttavia, a differenza dei reattori toroidali reali (e.g., ITER), nella macchina concepita dal miliardario Stark sembrano mancare le bobine magnetiche che circondano il toroide, consentendo, addirittura, di poter visionare l’interno della camera toroidale. Tale fatto fa pensare che il problema del confinamento del plasma sia stato risolto in qualche modo, mentre la peculiarità del reattore sta nella sua capacità di auto-sostenersi, una delle sfide più ardue per la ricerca nel mondo reale (Dove Ci Porterà La Fusione Nucleare).

L’assenza di sistemi di refrigerazione porta ad ipotizzare che il reattore ARC produca direttamente energia elettrica, senza passare dalla fase intermedia termica sotto forma di calore, utilizzato per alimentare una turbina a vapore.

Queste caratteristiche, nettamente in contrasto con i reattori a fusione a caldo attuali, lasciano intendere che il reattore ARC di Iron Man non sia una macchina convenzionale.

A distanza di due anni, nel film Iron Man 2 (2010), Tony Stark, riprendendo i progetti del defunto padre Howard, riesce a semplificare la prima versione del dispositivo, arrivando a realizzare la forma classica di reattore ARC miniaturizzato (vedi Figura 5), a cui anela oggi l’MIT e la CSF.

Tra le sue principali caratteristiche, rese note nel corso del film, vi sono:

1. A differenza della versione industriale, nella sua seconda generazione il reattore non contiene alcun plasma, né si basa sui processi di fusione nucleare, facendo affidamento al decadimento radioattivo e, dunque, alla fissione nucleare;
2. Possiede un nocciolo contenente un isotopo del Palladio, in quanto il Palladio naturale sarebbe danneggiato dal bombardamento neutronico. Questi isotopi risultano particolarmente tossici, al punto da causare un avvelenamento nel corpo di Tony Stark, visibile anche esternamente tramite ramificazioni scure;
3. È presente una struttura a doppio anello contenente due diversi isotopi del Palladio sfruttati per generare un circuito elettrico chiuso tra l’anello interno (nucleo) e quello esterno, con possibile emissione di fasci energetici verso l’esterno del reattore (e.g., particelle gamma);
4. In questa versione compaiono le bobine elettromagnetiche in forma toroidale che lo avvicinano di più ad un Tokamak tradizionale (vedi Figura 6);
5. Emette una luce bluastra che, a prima vista, potrebbe ricondursi alla radiazione di Chernenkov. Tale fenomeno si verifica quando delle particelle cariche (e.g., gli elettroni) raggiungono un mezzo (e.g., acqua o aria) ad una velocità superiore a quella della luce nel mezzo stesso. Ciò provoca un’emissione luminosa;
6. Non richiede materiali particolarmente complessi o costosi, potendo, addirittura essere costruito a partire da armamenti dismessi;
7. Non è in grado di auto-sostenersi, per cui bisogna effettuare una ricarica del combustibile al momento in cui tutto il Palladio sarà decaduto.

Nella nostra realtà, il Palladio, concepito come substrato per la fusione a freddo, non necessita di un plasma a temperature nell’ordine dei milioni di K o di sofisticati sistemi di confinamento, rendendolo, in linea di principio, più versatile, sebbene tale teoria non sia particolarmente accettata dalla comunità scientifica. I due isotopi del Palladio di interesse per Iron Man (Palladio-103 e Palladio-107) sono entrambi radioattivi.

L’isotopo Palladio-103 produce Rodio-103 (con un tempo di dimezzamento T_1/2 =17 giorni) tramite una cattura neutronica (processo di decadimento di cui vi abbiamo parlato ne “I Primi Passi Nel Mondo Della Medicina Nucleare”), mentre l’isotopo Palladio-107 produce Argento-107 (con un tempo di dimezzamento T_1/2 =6.5 milioni di anni) mediante decadimento Beta-.

Nella prima reazione, un elettrone di un orbitale più interno viene assorbito dal nucleo e, unendosi ad un protone, rilascia un neutrone ed un fotone ad alto contenuto energetico sotto forma di raggio; nella seconda reazione succede il processo inverso, ossia un neutrone si trasforma in protone e viene rilasciato un elettrone.

In teoria, le due reazioni non portano ad alcun moto di cariche per differenza di potenziale (vedi Acceleratori Di Particelle Per Applicazioni Biomediche) e conseguente generazione di elettricità, in quanto non vi è alcun surplus di particelle cariche positivamente o negativamente da poter essere sfruttato. Inoltre, il numero di protoni degli isotopi dell’Argento e del Rodio sono diversi da quelli del Palladio.

Una possibile spiegazione per ovviare al problema è che Stark abbia trovato un modo per utilizzare l’elettrone prodotto dal decadimento Beta- del Palladio-107 come sorgente per la cattura elettronica del Palladio-103, dando vita ad un circuito elettrico tra due isotopi radioattivi. Gli elettroni prodotti dal decadimento Beta- e partiti dal nucleo del reattore (anello interno di Palladio-107) si dirigono verso l’esterno per realizzare la cattura elettronica (anello esterno di Palladio-103), come riportato in Figura 8. 

I raggi prodotti dall’anello esterno realizzano il percorso inverso per catalizzare “ossia rallentare” il decadimento del nucleo in Palladio. Questi, oltre ad essere diretti verso l’interno, possono anche essere rilasciati verso l’esterno del reattore ARC, sotto forma di fascio energetico, fungendo da arma per Iron Man (vedi Figura 7).

Gli elettromagneti sono sfruttati per ionizzare positivamente gli isotopi di Palladio-103 in Palladio-103+ lungo un arco elettrico. Questi iniziano a ruotare ad altissima velocità nell’anello più esterno, con l’obiettivo di ritardare la cattura elettronica al momento esatto in cui gli ioni Palladio-103+ incontrino un primo elettrone libero (ossia esterno ad essi) per ritornare in forma Palladio-103 ed un secondo elettrone per dar luogo alla cattura elettronica.

L’elettrone assorbito deriva dalle emissioni Beta- del Palladio-107 (presente nell’anello più interno) e diretto verso l’anello più esterno.

Il flusso opposto di elettroni dall’interno verso l’esterno e di fotoni dall’esterno verso l’interno crea uno scompenso elettronico (eccesso di elettroni nell’anello esterno e difetto di elettroni in quello interno), in grado di  generare una grande differenza di potenziale e, pertanto, produrre una corrente elettrica.

Quest’ultima smorza l’effetto di rallentamento della carica elettrostatica accumulata. Di conseguenza, il tasso di decadimento dipende dal fabbisogno energetico dell’armatura: maggiore è la richiesta, più rapido sarà il decadimento e viceversa.

La ricarica del combustibile costituito dagli isotopi del Palladio si rende necessaria quando quest’ultimo sarà completamente esaurito, essendosi trasformato nei suoi nuclidi figli (Rodio-103 ed Argento-107).

Conclusioni

A differenza di molti casi in cui la fantascienza si è ispirata alle tecnologie del mondo reale, nel caso del reattore ARC sembra stia accadendo il contrario. Sebbene la natura fisica del fenomeno sia diversa tra l’invenzione di Iron Man e quella portata avanti dall’MIT (fissione nucleare per la prima e fusione per la seconda), l’interesse della ricerca verso soluzioni sempre più performanti, ma dalle ridotte dimensioni, fa da padrona per entrambe.

Nonostante alcune discrepanze scientifiche nel reattore ARC progettato da Tony Stark, la sua opera, “tanto complessa quanto versatile”, continua ad affascinarci ancora oggi, dimostrandoci come si possano compiere imprese “super” anche nel nostro mondo.  

Nella vita reale, gli Eroi sono la rappresentazione della Nostra parte più luminosa, disinteressata ed altruistica. Coloro che, senza fini egoistici, si mettono sempre a disposizione di chi ha bisogno.

In fondo, credo che dentro ognuno di Noi vi sia un Eroe che si manifesti quando riusciamo a vincere il lato d’ombra che ci appartiene. Di fatto, l’empatia è un sentimento eroico.

Abbiamo stimolato la tua curiosità? Puoi saperne di più consultando le nostre fonti:

• Wikipedia.org – Reattore a Fusione ARC
• corriere.it – Il reattore ARC che ricicla le scorie
• hwupgrade.it – Reattore a fusione del MIT, il magnete funziona: una svolta verso l’energia pulita e inesauribile?
• Wikipedia.org – Tokamak SPARC
• zeusnews.it – Il minireattore a fusione del MIT
• reddit.it – Come funziona il reattore Arc di Tony Stark? Come alimenta la sua armatura?
• quora.com – Qual è la teoria o il concetto alla base del “Reattore Arc in Miniatura” costruito da Tony Stark? Come potrebbe funzionare?
• bestmovie.it – Avengers: Endgame, la scena dello schiocco di Iron Man stava per essere completamente differente
• eni.com – Eni e Commonwealth Fusion Systems, insieme per l’energia da fusione
• fandom.com – ARC reactor
• georgefiorini.eu – Iron Man 2
• ilovevg.it – Marvel’s Avengers: Guida ad Iron Man