Per inerzia verso nuove bombe termonucleari

E’ notizia recente che un apparato sperimentale statunitense, la National Ignition Facility (NIF) avrebbe compiuto un grande passo in avanti nello studio della Fusione Termonucleare Controllata, rendendo più vicina e più credibile la proposta della Fusione come una fonte di energia nella seconda metà di questo secolo.

Per la prima volta, in un reattore e non in una bomba, un plasma termonucleare è in grado di autosostenersi senza bisogno di apporto di energia dall’esterno per mantenersi “caldo” e in grado di continuare le reazioni di fusione. E’ l’ignizione: una meta inseguita fin dagli anni 50.

Leggiamo ovunque affermare che questo significhi “produrre più energia di quanto se ne consumi” (condizione di “breakeven”), ma non è corretto: l’ignizione è molto di più e molto meglio.

Un plasma ignito in un reattore a fusione è in grado di produrre energia sotto forma di neutroni molto veloci che – opportunamente rallentati e assorbiti nella struttura del reattore – vi depongono calore che, asportato da un fluido, serve a riscaldarlo e quindi, nei modi consueti dei cicli termodinamici, a produrre elettricità.

Questo mentre – sempre grazie all’energia sprigionata dalla reazione di fusione – il plasma ignito è in grado anche di badare a se stesso, mantenendosi alla giusta temperatura e densità per poter continuare a reagire senza apporti dall’esterno.

Idealmente, il parallelo con la “criticità” del primo reattore a fissione, la pila di Fermi del dicembre 1942, viene spontaneo e non può non entusiasmare.

Quasi nessuno di chi celebra questo passo in avanti, compiuto dalla tecnologia denominata “Fusione Inerziale Controllata” (ICF), però, oltre a confondere breakeven con ignizione, dimostra decente conoscenza dell’argomento: perché nell’ambito degli studiosi sulla fusione nucleare è noto anche ai sassi che la tecnologia della NIF è sviluppata in ambito militare, ed ha come scopo principale e dichiarato lo studio delle esplosioni atomiche termonucleari, in vista dello sviluppo di ordigni termonucleari di nuova generazione – e poi “anche” la produzione di energia.

Ancora come la Pila di Fermi, che fu il prototipo dei reattori plutonigeni del progetto Manhattan per la bomba atomica a fissione: di produrre energia se ne parlò dopo un decennio passato a produrre il plutonio per le bombe atomiche.

I pericoli che possono derivare dal cammino verso la fusione concepito dal progetto NIF e dalla “fusione inerziale” sono enormi, ed è per quel motivo che il cuore di questa tecnologia è protetto da segreto militare, ed è sviluppato con fondi provenienti dal ramo “difesa” dell’industria nucleare statunitense sulla fusione.

Stupisce, per non dire atterrisce, il giubilo ed ‘il suon di man con elle’ che hanno salutato questo primo passo di questa tecnologia verso lo sviluppo di nuovi ordigni termonucleari disponibili in larga scala e non disciplinati dal Trattato Internazionale di Non-Proliferazione Nucleare (TNP).

E’ oltremodo urgente che al riguardo si faccia chiarezza, e che questi progetti vengano sottratti, se possibile, al controllo di una sola Nazione, ma siano invece sviluppati dalla Comunità Internazionale, come i progetti sull’altro “tipo” di fusione, la fusione magnetica, come ad esempio il progetto ITER.

E’ altrettanto urgente che il TNP, datato 1968, venga aggiornato per includere queste nuove tecnologie fra quelle da sorvegliare per impedire la proliferazione della disponibilità di ordigni atomici a molti Stati che non li devono possedere, oltre che impedire un rifiorire di attività di ricerca e sviluppo del nucleare militare negli USA e negli altri paesi “atomici militari”, dopo che la moratoria di fatto sui test di bombe atomiche ha praticamente fermato lo sviluppo di questi ordigni a partire dagli anni 70.

Se saranno realizzate queste due premesse, allora si potrà più serenamente studiare il comportamento di un “burning plasma”, un plasma ignito e autosufficiente come quello ottenuto dal NIF: è importante, perché è la prima volta che succede, fuori dal Sole o dalle bombe termonucleari, e non si sa bene, non del tutto, come un plasma del genere si comporti, quali saranno le leggi di trasporto che le particelle cariche seguiranno in un caso simile.

Quanto abbiamo affermato prima appare forse eccessivamente allarmistico ed anti-progresso, come succede a volte per i vecchi scienziati di fronte alle novità?

Non crediamo sia così: per questo si fa seguire qui sotto una analisi più dettagliata del problema in lingua inglese: nihil novum sub soli, essa è tratta e riassunta da un articolo scientifico pubblicato dalla scrivente addirittura nel lontano 2011.

* Docente di Impianti Nucleari al Politecnico di Torino, Ricercatore presso il Massachusetts Institute of Technology, inserito nella cinquina finale dei candidati al Premio Nobel per la fisica del 2016 per le sue ricerche sulla fusione nucleare.

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Military and nuclear proliferation implications of Inertial Confinement Fusion

Abstract. A technical analysis of the environmental aspects related to the nuclear weapons proliferation implications of inertial (ICF) confinement fusion systems is performed, substantiating the main technical points, and showing that full access to the physics of thermonuclear weapons is the main implication of ICF. Magnetic Confinement Fusion (MCF) implies full access to large scale tritium technology as its main proliferation impact, which, however, shows lower proliferation problems than ICF.

Introduction

Nuclear fusion energy possesses clear advantages versus fission energy in the area of environmental impact, and also in the close one of non-proliferation. We mean by non-proliferation the requirements of the NPT (Non-Proliferation Treaty) that, signed in 1968, limits the possession of nuclear weapons to 5 nations (USA, Russia, Great Britain, France and China) and regulates the flux of nuclear materials of potential military interest.

Fusion has a low environmental impact. Whereas fission power stations produce spent fuel with half-lives of thousands of years, the only radioactive wastes produced from a fusion power station would be from the intermediate fuel, tritium, and any radioactivity generated in structural materials. The radioactivity of tritium is short-lived, with a half-life of around 12 years, and if chosen appropriately the structural materials have a sufficiently short half-life to not represent a burden for future generations.

Fusion is inherently safer than fission in that it does not rely on a critical mass of fuel. This means that there are only small amounts of fuel in the reaction zone, making nuclear meltdown impossible.

Under IAEA (International Atomic Energy Agency) statutes, at present none of the materials available in a fusion power plant are categorised as being of nuclear safeguards significance or require the Non-Proliferation Treaty controls. However, because fusion neutrons could be used to generate fissile material, fusion power plants will have to be subject to international safeguards. Such safeguards would be much cheaper and easier to enforce than in the case of fission, because one would be looking for fissile or fertile material in an environment where none at all should be present, in contrast to looking for small discrepancies in the large inventories of fission plants.

This paper contains an analysis of the nuclear weapons proliferation implications of inertial confinement (ICF) fusion energy systems, while a larger and broader analysis, and a comparison with compared to magnetic confinement (MCF) ones can be found in this paper by the author:

1. M. Zucchetti, Proliferation Implications for Thermonuclear Fusion, Journal of Environmental Protection and Ecology 12, No 4A, 2071–2080 (2011)

To summarize in one statement, while full access to the physics of thermonuclear weapons is the main implication of ICF, proliferation implications of tokamak MCF systems are largely inferior, however not negligible in principle.

It is quite important that magnetic fusion technology shows the lowest possible connection with any proliferation issue: this must be seen as one of its main goals, one of its clear advantages versus inertial fusion and fission. MCF could be the only nuclear technology not being born with the so-called ‘original sin’ of military application.

Many ancillary technologies associated with thermonuclear fusion and high-energy beams may be of military importance: high-power radiofrequency generation for radars and electromagnetic warfare; superconductivity and cryogenics for outer space military platforms; high magnetic field generation for magnetic compression and pure fusion explosives; pulsed power technology for flash X-ray radiography and electromagnetic guns; heatproof and heavy irradiation-proof materials and electronic devices for conventional and nuclear explosives; micro- and nano-technology for mass-producing 4th generation nuclear weapons, etc.

FUSION REACTORS AND TRITIUM

In the past decade there has been a growing awareness that the development of fusion systems is being accompanied by the spread of the knowledge and materials required for the production of thermonuclear weapons. This awareness is the result of a number of political and technical developments which shifted part of the nuclear weapons proliferation debate away from its traditional focus (namely the nuclear fission fuel cycle and its related enrichment and reprocessing technologies) and started to highlight the military problems associated with emerging nuclear energy systems: fusion systems for energy production and nuclear weapons simulation, accelerator-based concepts for energy amplification and tritium breeding, pulsed power technologies for civilian and military applications, etc.

The international agencies that regulate the flow of strategic materials have so far refused to classify tritium as a ‘safeguardable’ substance, that is, a material of relevance for military weaponry. The ostensible reason is that nuclear weapons can be manufactured without tritium, and therefore it is not an essential strategic material in the same way that plutonium or enriched uranium are. This is only technically true, since all nuclear weapons now being manufactured by nuclear weapons states almost certainly use tritium. A few grams of tritium are sufficient to ‘boost’ bombs made of a few kilograms of military – or reactor-grade – plutonium making them smaller and lighter than conventional designs and deliverable by missiles instead of bomber planes. ‘Boosted’ bombs contain only 4 kg of plutonium or 12 kg high-enriched uranium, weigh less than 100 kg and are about 30 cm in diameter. ‘Boosted’ bombs can be perceived as ‘user friendly’, since the possibility of accidental nuclear explosion is considered nearly impossible. in storage, the deuterium-tritium gas is contained in a separate reservoir outside the core, should an accidental explosion of the chemical explosives components occur, the relatively small amounts of plutonium or uranium involved would not be sufficient for a full nuclear explosion. This means that reactor-grade plutonium, which is relatively unstable and prone to spontaneous fission, could be utilised, at significantly reduced risk given the small amounts of material required in a ‘boosted’ bomb. ‘Boosting’ is essentially used in all modern nuclear weapons. The development of ‘boosted’ bombs thus confirms the importance of tritium to the issue of non-proliferation of fission weapons.

Experimental fusion reactors, as well the deployment of commercial scale fusion reactors, pose the problem of tritium proliferation, because their operation will imply the use of kilograms of tritium. Once operational, ITER (The Interna- tional Tokamak Experimental Reactor being built in France) tritium inventory will be about 2–3 kg: in fact, within the tritium plant of ITER, a total inventory of that amount will be necessary to operate the machine in the DT phase. During plasma operation, tritium will be distributed in the different sub-systems of the fuel cycle. Currently, the total amount of tritium in the US weapons stockpile is some 100 kg, an average of 10 g tritium per warhead: so the inventory of tritium in ITER would be enough in theory to boost many nuclear weapons.

A fusion reactor program gives a non-military justification to acquire an industrial scale tritium technology. With the construction of a large fusion reactor, large-scale tritium production in a non-nuclear weapon State becomes justified.

It is relatively easier to conceal significant amounts of tritium than of plutonium, and given that the required amounts are smaller (grams instead of kilograms), much less radioactive and more difficult to detect, effective procedures will need to be put in place to ensure the security of the material.

It must be pointed out – on the other hand – that safeguards against the diversion of tritium are quite easy to implement in the case of a nuclear fusion devices. Tritium will be present in a sizable amount only in a few systems, like for instance the tritium purification, storage and injection systems. However, there is a continuous and extremely detailed monitoring system for tritium in particular in every fusion plant. Record of such measurements can be easily kept under control by the inspection authority.

MILITARY AND PROLIFERATION NATURE OF INERTIAL CONFINEMENT FUSION (ICF)

As was already explained, many technologies relevant to thermonuclear energy have potential important military applications in nuclear and non-nuclear weapons. Lasers, accelerators, superconductive devices, etc. are key components of new kinds of non-nuclear weapons: Laser and particle beam weapons, electro- magnetic guns, etc. A clear example of the ambivalence of thermonuclear research with high-energy lasers is the project to use the technology developed for the US National Ignition Facility (NIF) to build an Earth-based laser to clear near-Earth space debris: such a device would also be an effective anti-satellite weapon.

The most direct proliferation contributions of ICF are obviously in the domains of thermonuclear weapons physics and effects. ICF poses special risks of vertical proliferation, such as the risk that it might contribute to the development of advanced nuclear weapons. If a reactor were to be available, the production of plutonium or ²³³U is possible, and safeguards will become necessary. From the theoretical background of ICF, lessons on high-energy plasma physics can be learned, that might be useful in the design of computer codes of nuclear explosion simulations. In case of a secret nuclear weapon program, experts on ICF theory might play a useful role. Other fusion concepts such as magnetic confinement fusion do not pose similar risks. Large ICF experiments can be used to replace underground nuclear testing to a certain extent, and thereby undermine the policy of stemming vertical proliferation. As long as ICF projects take place in international cooperation, their goals will be civilian and not nuclear weapons application, and the risk of vertical proliferation might be reduced to a certain extent. However, if a Nation is carrying out its own ICF programme, risks are much higher.

In 1997, in a review of the ICF program, the section about the ‘Relevance of the National Ignition Facility (NIF) to Science-based Stockpile Stewardship (SBSS)’ is highlighting the following items:

• Certification of the weapons stewards;

• Code validation and materials properties;

• Ignition:

  1. The study of burn in the presence of mix;

  2. The diagnosis of ICF plasma;

  3. High-energy density phenomena;

  4. Proof of principle for inertial fusion energy (IFE).

Therefore, the main emphasis is on underlining the potential benefits of ICF for the future of nuclear weapons development.

ICF systems enable both nuclear and non-nuclear effects of thermonuclear bombs to be studied. The latter consists of the effects of low and high altitude single and multi-burst detonation in the atmosphere. Such studies enable prediction of the effects of subsequent bursts in a multi-burst environment; evaluation of the spatial extent and duration of satellite communication interference, and evaluation of radar shielding effects which hinder detection of secondary missions¹³. Since 1964, because of the PTBT Partial Test Ban Treaty), such problems cannot be studied with real nuclear explosions in the atmosphere.

After the discovery of the Teller-Ulam principle, and some major improvements during the 1960’s, progress on thermonuclear weapons slowed down dramatically. In fact, despite more than 50 years of research and development, and after almost 2000 test explosions, the scientific understanding of the details of the secondary system is still incomplete. A major problem with full-scale testing is that the secondary of an actual bomb is buried deep inside the weapon, surrounded by a thick ablator and the radiation case. Therefore, most experimental data on the thermonuclear part of the explosion is indirect. In comparison, an ICF pellet is an almost naked secondary, and many configurations can be tested at will, with much better diagnostic capabilities than with underground nuclear tests. The promise of ICF is a complete description of thermonuclear weapons physics from first principles.

The National Ignition Facility (NIF), completed in 2009, is designed to establish the scientific feasibility of pure fusion explosions, that is, 4th generation nuclear weapons, without plutonium or uranium. in such weapons, deuterium-tritium pellets could be detonated with the lasers instead of by the conventional chain reaction, which will require the development of much smaller high-energy laser devices. Any country with an understanding of ICF and laser technology could develop such a device. The inherent consequences of a pure-fusion device go far beyond low cost and greatly reduced explosive yield. Most significant, pure-fusion warheads, in contrast to warheads that use fissionable material, are not covered yet by the Nuclear Non-Proliferation Treaty (NPT). Any country can, in terms of international law, legally possess and even sell such weapons and not be in violation of the NPT. Also, deuterium-tritium fuel can be purchased openly on the international market. The spirit of the NPT may be in violation, but not the letter. Still further, because there is no fissionable component and because the explosive yield is so small, full operational tests of a pure-fusion device could be conducted in any country and not be detected by systems set up to monitor nuclear weapons tests. If tests were conducted underground at a moderate depth, say 50 to 100 m, even the local inhabitants would suspect nothing. For example, experiments on NIF could be used to design optimum targets for experiments using high-energy capacitors or drivers using combinations of chemicals and electromagnetic energy that can be made compact enough for weapons. Experiments with these types of devices could be significant advances towards the design of pure fusion weapons.

The complexity of ICF target experiments requires that they are analysed by simulating the experiment with two- and three-dimensional codes. Thus verification and improvement of weapon design code is an intrinsic part of ICF experiments. Since ICF research is done in non-nuclear weapon States too, very sophisticated computer codes have been developed and published by scientists in such States. These codes allow, in particular, the simulation of the dynamics and stability of implosion (of either passive or nuclear materials) driven by X-rays, high-energy beams, or other types of drivers: chemical high explosives, magnetic fields, electromagnetic guns, etc.

‘Ignition’, the last item stressed in the 1997 assessment of ICF, refers to the fact that macroscopic processes like thermonuclear plasma ignition are still not well understood. Special ICF targets which absorb the driver energy and convert it to X-rays enable H-bomb ignition physics to be studied directly.

Whatever the details, successful ignition of thermonuclear micro-explosions in the laboratory will open the way to two types of applications which will most certainly remain in the military domain:

• 4th generation nuclear weapons.

• Inertial fusion energy. Success with ignition, and a sufficient reduction of scale of the driver, would provide a very attractive substitute for the numerous nuclear reactors used by the military.

Much of what has been said about ICF in the previous section does not apply to MCF, since the operation of a MCF device is characterised by a much smaller plasma density (and a correspondingly much longer burn time) than in an ICF device or a thermonuclear explosion. For this reason, MCF physics and technology are less closely related to thermonuclear weapons than is the case for ICF.

CONCLUSIONS

a systematic analysis of the actual and latent nuclear weapons pro- liferation implications of fusion energy systems has been attempted.

The development of inertial fusion energy systems enhances the knowledge of thermonuclear weapon physics, and provides an impetus for the development of a number of technologies which have mostly military applications.

The development of DT fusion power plants, either MCF or ICF, would pose non-proliferation problems because very large amounts of tritium (which are on the order of kilo grams) would be produced in these plants.

Fusion power reactors utilising DT fusion will generate copious neutrons that could be used to produce weapons-grade fissile material with relatively minor modifications.

Neutron abundance and tritium abundance proliferation questions of fusion energy systems could be solved by the adoption of innovative reactor designs and advanced fuel cycles, relying on Deuterium-Helium3 nuclear fusion, see for instance;

2. Massimo Zucchetti*, Raffaella Testoni, ENERGY: A STUDY FOR ADVANCED SOLUTIONS INCLUDING LOW-NEUTRON NUCLEAR FUSION, Fresenius Environmental Bulletin, Volume 26 – No. 1/2017, pages 75-79

References

A full list of references is available in the paper in Ref. 1

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La traduzione del testo in inglese, qui di seguito, è responsabilità della redazione.

Implicazioni militari e di proliferazione nucleare della fusione a confinamento inerziale

Abstract. Viene effettuata un’analisi tecnica degli aspetti ambientali relativi alle implicazioni dei sistemi di fusione a confinamento inerziale (ICF) in termini di proliferazione delle armi nucleari, che convalida i principali punti tecnici e dimostra che il pieno accesso alla fisica delle armi termonucleari è la principale implicazione dell’ICF.

La fusione a confinamento magnetico (MCF) implica il pieno accesso alla tecnologia del trizio su larga scala come principale impatto sulla proliferazione, tuttavia mostra problemi di proliferazione inferiori rispetto all’ICF.

Introduzione

L’energia da fusione nucleare presenta chiari vantaggi rispetto all’energia da fissione nell’area dell’impatto ambientale e anche in quella più vicina della non proliferazione. Per non proliferazione intendiamo i requisiti del TNP (Trattato di Non Proliferazione) che, firmato nel 1968, limita il possesso di armi nucleari a 5 nazioni (USA, Russia, Gran Bretagna, Francia e Cina) e regola il flusso di materiali nucleari di potenziale interesse militare.

La fusione ha un basso impatto ambientale. Mentre le centrali a fissione producono combustibile esaurito con emivita di migliaia di anni, gli unici rifiuti radioattivi prodotti da una centrale a fusione sarebbero quelli del combustibile intermedio, il trizio, e la radioattività generata nei materiali strutturali.

La radioattività del trizio è di breve durata, con un tempo di dimezzamento di circa 12 anni, e se scelti in modo appropriato i materiali strutturali hanno un tempo di dimezzamento sufficientemente breve da non rappresentare un peso per le generazioni future.

La fusione è intrinsecamente più sicura della fissione in quanto non si basa su una massa critica di combustibile. Ciò significa che ci sono solo piccole quantità di combustibile nella zona di reazione, rendendo impossibile la liquefazione del nocciolo (meltdown, o “Sindrome cinese”).

Secondo gli statuti dell’AIEA (Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica), attualmente nessuno dei materiali disponibili in una centrale a fusione è classificato come importante per le salvaguardie nucleari o richiede i controlli del Trattato di Non Proliferazione.

Tuttavia, poiché i neutroni di fusione potrebbero essere utilizzati per generare materiale fissile, le centrali a fusione dovranno essere soggette a controlli di sicurezza internazionali. Tali salvaguardie sarebbero molto meno costose e più facili da applicare rispetto al caso della fissione, perché si cercherebbe materiale fissile o fertile in un ambiente in cui non dovrebbe essere presente, mentre si cercherebbero piccole discrepanze nei grandi inventari degli impianti di fissione.

Questo articolo contiene un’analisi delle implicazioni per la proliferazione delle armi nucleari dei sistemi di fusione a confinamento inerziale (ICF), mentre un’analisi più ampia e più estesa, e un confronto con quelli a confinamento magnetico (MCF), si trovano in questo articolo dell’autore:

1. M. Zucchetti, Proliferation Implications for Thermonuclear Fusion, Journal of Environmental Protection and Ecology 12, No 4A, 2071-2080 (2011)

Per riassumere in una frase, mentre il pieno accesso alla fisica delle armi termonucleari è l’implicazione principale dell’ICF, le implicazioni sulla proliferazione dei sistemi tokamak MCF sono largamente inferiori, anche se non trascurabili in linea di principio.

È molto importante che la tecnologia della fusione magnetica mostri il minor legame possibile con qualsiasi questione di proliferazione: questo deve essere visto come uno dei suoi obiettivi principali, uno dei suoi chiari vantaggi rispetto alla fusione inerziale e alla fissione. La MCF potrebbe essere l’unica tecnologia nucleare a non essere nata con il cosiddetto “peccato originale” dell’applicazione militare.

Molte tecnologie ausiliarie associate alla fusione termonucleare e ai fasci ad alta energia possono essere di importanza militare: generazione di radiofrequenze ad alta potenza per i radar e la guerra elettromagnetica; superconduttività e criogenia per le piattaforme militari nello spazio esterno; generazione di campi magnetici elevati per la compressione magnetica e gli esplosivi a fusione pura; tecnologia di potenza pulsata per la radiografia a raggi X flash e per i cannoni elettromagnetici; materiali e dispositivi elettronici a prova di calore e di forti irradiazioni per gli esplosivi convenzionali e nucleari; micro e nano-tecnologie per la produzione di massa di armi nucleari di quarta generazione, ecc.

REATTORI A FUSIONE E TRIZIO

Nell’ultimo decennio si è diffusa la consapevolezza che lo sviluppo dei sistemi di fusione si accompagna alla diffusione delle conoscenze e dei materiali necessari per la produzione di armi termonucleari.

Questa consapevolezza è il risultato di una serie di sviluppi politici e tecnici che hanno spostato parte del dibattito sulla proliferazione delle armi nucleari dal suo focus tradizionale (ovvero il ciclo del combustibile nucleare da fissione e le relative tecnologie di arricchimento e ritrattamento) e hanno iniziato a mettere in evidenza i problemi militari associati ai sistemi di energia nucleare emergenti: sistemi di fusione per la produzione di energia e la simulazione di armi nucleari, concetti basati su acceleratori per l’amplificazione dell’energia e la produzione del trizio, tecnologie di energia pulsata per applicazioni civili e militari, ecc.

Le agenzie internazionali che regolano il flusso di materiali strategici si sono finora rifiutate di classificare il trizio come sostanza “salvaguardabile”, cioè come materiale rilevante per gli armamenti militari.

Il motivo apparente è che le armi nucleari possono essere fabbricate senza il trizio, e quindi non è un materiale strategico essenziale come lo sono il plutonio o l’uranio arricchito. Questo è vero solo dal punto di vista tecnico, poiché tutte le armi nucleari prodotte dagli Stati dotati di armi nucleari utilizzano quasi certamente il trizio. Pochi grammi di trizio sono sufficienti per “potenziare” bombe composte da pochi chilogrammi di plutonio militare – o da reattore – rendendole più piccole e più leggere dei progetti convenzionali e trasportabili con missili anziché con aerei bombardieri.

Le bombe “potenziate” contengono solo 4 kg di plutonio o 12 kg di uranio altamente arricchito, pesano meno di 100 kg e hanno un diametro di circa 30 cm. Le bombe “potenziate” possono essere percepite come “facili da usare”, poiché la possibilità di un’esplosione nucleare accidentale è considerata quasi impossibile.

Nello stoccaggio, il gas deuterio-trizio è contenuto in un serbatoio separato al di fuori del nocciolo, nel caso in cui si verificasse un’esplosione accidentale dei componenti chimici dell’esplosivo, le quantità relativamente piccole di plutonio o uranio coinvolte non sarebbero sufficienti per un’esplosione nucleare completa.

Ciò significa che il plutonio da reattore, relativamente instabile e incline alla fissione spontanea, potrebbe essere utilizzato, con un rischio significativamente ridotto date le piccole quantità di materiale necessarie in una bomba “potenziata”. Il “boosting” è essenzialmente utilizzato in tutte le armi nucleari moderne. Lo sviluppo di bombe “potenziate” conferma quindi l’importanza del trizio per la questione della non proliferazione delle armi a fissione.

I reattori a fusione sperimentali, così come la realizzazione di reattori a fusione su scala commerciale, pongono il problema della proliferazione del trizio, perché il loro funzionamento implica l’uso di chilogrammi di trizio.

Una volta operativo, l’inventario di trizio di ITER (The Interna- tional Tokamak Experimental Reactor in costruzione in Francia) sarà di circa 2-3 kg: infatti, all’interno dell’impianto di trizio di ITER, un inventario totale di tale quantità sarà necessario per far funzionare la macchina nella fase DT.

Durante il funzionamento del plasma, il trizio sarà distribuito nei diversi sottosistemi del ciclo del combustibile. Attualmente, la quantità totale di trizio nelle scorte di armi degli Stati Uniti è di circa 100 kg, una media di 10 g di trizio per testata: quindi l’inventario di trizio in ITER sarebbe sufficiente, in teoria, per potenziare molte armi nucleari.

Un programma di reattori a fusione fornisce una giustificazione non militare per l’acquisizione di una tecnologia del trizio su scala industriale. Con la costruzione di un grande reattore a fusione, la produzione di trizio su larga scala, in uno Stato non dotato di armi nucleari, diventa giustificata.

È relativamente più facile nascondere quantità significative di trizio che di plutonio e, dato che le quantità richieste sono più piccole (grammi anziché chilogrammi), molto meno radioattive e più difficili da rilevare, sarà necessario mettere in atto procedure efficaci per garantire la sicurezza del materiale.

Va sottolineato, d’altra parte, che le misure di sicurezza contro la diversione del trizio sono abbastanza facili da attuare nel caso di dispositivi a fusione nucleare. Il trizio sarà presente in quantità considerevoli solo in alcuni sistemi, come ad esempio i sistemi di purificazione, stoccaggio e iniezione del trizio.

Tuttavia, in ogni impianto di fusione esiste un sistema di monitoraggio continuo ed estremamente dettagliato del trizio. Le registrazioni di tali misurazioni possono essere facilmente tenute sotto controllo dall’autorità di ispezione.

NATURA MILITARE E DI PROLIFERAZIONE DELLA FUSIONE A CONFINAMENTO INERZIALE (ICF)

Come è già stato spiegato, molte tecnologie relative all’energia termonucleare hanno potenziali importanti applicazioni militari in armi nucleari e non. Laser, acceleratori, dispositivi superconduttori, ecc. sono componenti chiave di nuovi tipi di armi non nucleari: armi laser e a fascio di particelle, cannoni elettro-magnetici, ecc.

Un chiaro esempio dell’ambivalenza della ricerca termonucleare con i laser ad alta energia è il progetto di utilizzare la tecnologia sviluppata per la National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti per costruire un laser terrestre per eliminare i detriti spaziali vicini alla Terra: un simile dispositivo sarebbe anche un’efficace arma antisatellite.

I contributi più diretti dell’ICF alla proliferazione riguardano ovviamente la fisica e gli effetti delle armi termonucleari. L’ICF presenta rischi particolari di proliferazione verticale, come il rischio che possa contribuire allo sviluppo di armi nucleari avanzate. Se fosse disponibile un reattore, sarebbe possibile la produzione di plutonio o 233U, con conseguente necessità di controlli di sicurezza.

Dal background teorico dell’ICF si possono trarre insegnamenti sulla fisica del plasma ad alta energia, che potrebbero essere utili nella progettazione di codici informatici per la simulazione di esplosioni nucleari. Nel caso di un programma segreto di armi nucleari, gli esperti di teoria dell’ICF potrebbero svolgere un ruolo utile.

Altri concetti di fusione, come la fusione a confinamento magnetico, non presentano rischi simili. I grandi esperimenti ICF possono essere utilizzati per sostituire in una certa misura i test nucleari sotterranei, minando così la politica di contenimento della proliferazione verticale. Finché i progetti ICF si svolgeranno nell’ambito di una cooperazione internazionale, i loro obiettivi saranno civili e non di applicazione di armi nucleari, e il rischio di proliferazione verticale potrebbe essere ridotto in una certa misura.

Tuttavia, se una nazione porta avanti un proprio programma ICF, i rischi sono molto più elevati.

Nel 1997, in una revisione del programma ICF, la sezione relativa alla “rilevanza del National Ignition Facility (NIF) per la gestione delle scorte basata sulla scienza (SBSS)” evidenzia i seguenti punti:

– Garanzia della disponibilità di combustibile per le armi termonucleari;

– Convalida dei codici di calcolo e studio delle proprietà dei materiali;

– Accensione (ignizione) di un plasma.

 

1. Lo studio della combustione in presenza di miscela;

2. La diagnosi del plasma ICF;

3. Fenomeni di densità ad alta energia;

4. Prova di principio dell’energia di fusione inerziale (IFE).

Pertanto, l’enfasi principale è posta sulla sottolineatura dei potenziali benefici dell’ICF per il futuro dello sviluppo di armi nucleari.

I sistemi ICF consentono di studiare gli effetti nucleari e non nucleari delle bombe termonucleari. Questi ultimi consistono negli effetti della detonazione a bassa e ad alta quota, singola o multipla, nell’atmosfera.

Tali studi consentono di prevedere gli effetti di esplosioni successive in un ambiente multi-burst, di valutare l’estensione spaziale e la durata delle interferenze nelle comunicazioni satellitari e di valutare gli effetti di schermatura radar che ostacolano la rilevazione di missioni secondarie13. Dal 1964, a causa del Trattato per la messa al bando parziale degli esperimenti nucleari (PTBT), questi problemi non possono essere studiati con esplosioni nucleari reali nell’atmosfera.

Dopo la scoperta del principio di Teller-Ulam e alcuni importanti miglioramenti negli anni ’60, il progresso delle armi termonucleari ha subito un forte rallentamento. Infatti, nonostante oltre 50 anni di ricerca e sviluppo, e dopo quasi 2000 esplosioni di prova, la comprensione scientifica dei dettagli del sistema secondario è ancora incompleta.

Uno dei problemi principali dei test su scala reale è che il secondario di una bomba vera e propria è sepolto in profondità all’interno dell’arma, circondato da uno spesso ablatore e dal contenitore delle radiazioni. Pertanto, la maggior parte dei dati sperimentali sulla parte termonucleare dell’esplosione è indiretta. In confronto, un pellet ICF è un secondario quasi nudo e molte configurazioni possono essere testate a piacere, con capacità diagnostiche molto migliori rispetto ai test nucleari sotterranei. La promessa dell’ICF è una descrizione completa della fisica delle armi termonucleari a partire dai principi primi.

La National Ignition Facility (NIF), completata nel 2009, è stata progettata per stabilire la fattibilità scientifica di esplosioni a fusione pura, cioè di armi nucleari di quarta generazione, senza plutonio o uranio.

In tali armi, i pellet di deuterio-trizio potrebbero essere fatti esplodere con i laser invece che con la reazione a catena convenzionale, che richiederà lo sviluppo di dispositivi laser ad alta energia molto più piccoli. Qualsiasi Paese che conosca la tecnologia ICF e laser potrebbe sviluppare un dispositivo di questo tipo. Le conseguenze intrinseche di un dispositivo a fusione pura vanno ben oltre il basso costo e la resa esplosiva notevolmente ridotta.

La cosa più significativa è che le testate a fusione pura, a differenza di quelle che utilizzano materiale fissile, non sono ancora coperte dal Trattato di non proliferazione nucleare (TNP).

In termini di diritto internazionale, qualsiasi Paese può legalmente possedere e persino vendere tali armi senza violare il TNP. Inoltre, il combustibile deuterio-trizio può essere acquistato apertamente sul mercato internazionale. Lo spirito del TNP può essere violato, ma non la lettera.

Inoltre, poiché non c’è alcun componente fissile e la resa esplosiva è così piccola, i test operativi completi di un dispositivo a fusione pura potrebbero essere condotti in qualsiasi Paese e non essere rilevati dai sistemi di monitoraggio dei test sulle armi nucleari. Se i test fossero condotti nel sottosuolo a una profondità moderata, ad esempio da 50 a 100 metri, anche gli abitanti locali non sospetterebbero nulla.

Ad esempio, gli esperimenti sul NIF potrebbero essere utilizzati per progettare bersagli ottimali per esperimenti che utilizzano condensatori ad alta energia o driver che utilizzano combinazioni di sostanze chimiche ed energia elettromagnetica che possono essere resi abbastanza compatti per le armi. Gli esperimenti con questi tipi di dispositivi potrebbero rappresentare un progresso significativo verso la progettazione di armi a fusione pura.

La complessità degli esperimenti sui bersagli ICF richiede che vengano analizzati simulando l’esperimento con codici bidimensionali e tridimensionali. La verifica e il miglioramento dei codici di progettazione delle armi sono quindi parte integrante degli esperimenti ICF. Poiché la ricerca ICF viene svolta anche in Stati non dotati di armi nucleari, gli scienziati di questi Stati hanno sviluppato e pubblicato codici informatici molto sofisticati. Questi codici consentono, in particolare, di simulare la dinamica e la stabilità dell’implosione (di materiali passivi o nucleari) guidata da raggi X, fasci ad alta energia o altri tipi di motori: alti esplosivi chimici, campi magnetici, cannoni elettromagnetici, ecc.

L’ultimo punto sottolineato nella valutazione dell’ICF del 1997, l’accensione, si riferisce al fatto che i processi macroscopici come l’accensione del plasma termonucleare non sono ancora ben compresi. Speciali bersagli ICF che assorbono l’energia del driver e la convertono in raggi X consentono di studiare direttamente la fisica dell’accensione della bomba H.

A prescindere dai dettagli, il successo dell’accensione di microesplosioni termonucleari in laboratorio aprirà la strada a due tipi di applicazioni che rimarranno sicuramente in ambito militare:

– Armi nucleari di quarta generazione.

– Energia da fusione inerziale. Il successo dell’accensione e una sufficiente riduzione di scala del driver fornirebbero un sostituto molto attraente per i numerosi reattori nucleari utilizzati dalle forze armate.

Gran parte di ciò che è stato detto sull’ICF nella sezione precedente non si applica all’MCF, poiché il funzionamento di un dispositivo MCF è caratterizzato da una densità di plasma molto minore (e da un tempo di combustione corrispondentemente molto più lungo) rispetto a un dispositivo ICF o a un’esplosione termonucleare. Per questo motivo, la fisica e la tecnologia dell’MCF sono meno strettamente legate alle armi termonucleari rispetto all’ICF.

CONCLUSIONI

È stata tentata un’analisi sistematica delle implicazioni effettive e latenti dei sistemi di energia da fusione in materia di armi nucleari.

Lo sviluppo di sistemi energetici a fusione inerziale migliora la conoscenza della fisica delle armi termonucleari e dà impulso allo sviluppo di una serie di tecnologie che hanno soprattutto applicazioni militari.

Lo sviluppo di centrali a fusione DT, sia MCF che ICF, porrebbe problemi di non proliferazione perché in queste centrali verrebbero prodotte quantità molto elevate di trizio (dell’ordine dei chilogrammi).

I reattori a fusione che utilizzano la fusione DT genereranno abbondanti neutroni che potrebbero essere utilizzati per produrre materiale fissile di grado militare con modifiche relativamente piccole.

I problemi di abbondanza di neutroni e di proliferazione del trizio nei sistemi energetici a fusione potrebbero essere risolti adottando progetti innovativi di reattori e cicli di combustibile avanzati, basati sulla fusione nucleare Deuterio-Elio3 , vedi ad esempio;

2. Massimo Zucchetti*, Raffaella Testoni, ENERGY: A STUDY FOR ADVANCED SOLUTIONS INCLUDING LOW-NEUTRON NUCLEAR FUSION, Bollettino Ambientale Fresenius, Volume 26 – No. 1/2017, pagine 75-79

Riferimenti

L’elenco completo dei riferimenti è disponibile nel documento in Rif. 1

18 Dicembre 2022 - © Riproduzione possibile DIETRO ESPLICITO CONSENSO della REDAZIONE di CONTROPIANO

Ultima modifica: 8 Gennaio 2023, ore 12:22 stampa