L'Italia e la fusione nucleare

La fusione nucleare è sempre apparsa a molti come un sogno. Eppure, la ricerca di questa forma di energia illimitata e pulita continua. Recentemente un gruppo di ricercatori del Plasma Science and Fusion Center (PSFC) del MIT ha fondato la start-up Commonwealth Fusion Systems (CFS) con l'obiettivo di costruire un prototipo di centrale elettrica industriale entro 15 anni. A Frascati è stata avviata la costruzione dell’ esperimento DTT che avrà una funzione di collegamento tra l’esperimento ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), in costruzione in Francia, e il prototipo di reattore DEMO. L'Italia è impegnata nel progetto CFS con l'Eni, che ha investito 50 milioni di dollari, e nel progetto internazionale di ITER, con commesse industriali che hanno già raggiunto un miliardo di euro sui 2,4 totali per la costruzione delle tecnologie necessarie.

La domanda che ci si pone è se, alla luce degli ultimi sviluppi, valga la pena investire così tante risorse nella ricerca sulla fusione. La risposta non può prescindere da considerazioni sulla crescita della popolazione mondiale e il suo fabbisogno energetico. Il numero di individui sul pianeta raggiungerà i dieci miliardi intorno al 2050 e i 12 intorno al 2100 con un tenore di vita che tenderà a uniformarsi agli standard più elevati . Per il 2100 si prevede un consumo di energia tra il doppio e il quintuplo di quello attuale con crescite rilevanti del consumo di energia elettrica, visto che il 75 per cento della popolazione vivrà in città. In particolare, l' IEA (International Energy Agency) prevede che il fabbisogno energetico sia destinato ad aumentare del 30% da oggi al 2040 e che le energie verdi copriranno solo il 40 per cento della domanda globale. Parallelamente, il problema delle scorie e il pericolo del terrorismo continueranno a pesare sullo sviluppo dell'energia nucleare da fissione la cui percentuale nella generazione globale salirà dal 15 per cento del 2010 al 20 per cento del 2040 (fonte ExxonMobil).

In questo quadro, le ricerche sulla fusione rappresentano la speranza di un metodo di produzione dell'energia che non produce scorie ed effetto serra e si basa su un combustibile praticamente inesauribile e a basso costo. Infatti la fusione nucleare è una reazione in cui due nuclei leggeri come deuterio e trizio entrano in collisione e si fondono per formarne di più pesanti liberando notevole energia: l'opposto di quanto accade nel processo di fissione dove un atomo pesante bombardato da un neutrone si divide in due atomi più leggeri. Perché la reazione di fusione si verifichi è necessario che la miscela deuterio-trizio si trovi a temperatura elevatissima, superiore a 100 milioni di gradi centigradi. A quella temperatura la materia si trova nello stato di plasma. Per confinare il plasma in un reattore si è seguito il metodo del confinamento magnetico, cioè si è sfruttato il fatto che un campo magnetico forza le particelle del plasma a restare confinate. La macchina Tokamak, concepita per la prima volta all'Istituto Kurchatov di Mosca e i cui principi furono condivisi con gli scienziati occidentali nonostante la guerra fredda, sfrutta in modo efficiente esattamente questo principio.

A partire da quando, nel 1992, è stata realizzata la prima reazione di fusione controllata, che ha prodotto per un solo secondo una potenza di 1,7 megawatt, la ricerca si è concentrata sul confinamento magnetico. Il disegno ingegneristico di ITER si è concluso nel 2000 ma la costruzione del reattore che produca più energia di quanta il processo ne consumi per l'innesco e il sostentamento della reazione deuterio-trizio è in corso in Francia, a Cadarache. «L'obiettivo finale è quello di ottenere dieci volte la potenza iniettata» dice Vanni Antoni, direttore dell'Istituto Gas Ionizzati del CNR di Padova «in pratica occorre riscaldare il plasma e iniettare potenza sia con onde elettromagnetiche sia con fasci di particelle. L’obiettivo è iniettare 50 megawatt di potenza per estrarne 500. ITER deve ottenere questo risultato per dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica del principio ».

«La complicazione nasce dallo stretto intreccio tra plasma e macchina » spiega Antoni «e dalla sfida tecnologica che pongono la realizzazione di molti componenti,come i superconduttori di grandi dimensioni, e la loro integrazione con le altre tecnologie. »

In particolare, sono ancora da risolvere vari problemi prima del reattore. «Il primo riguarda la gestione del calore con quello che si chiama divertore, un componente del reattore sul quale viene deviato il plasma che sfugge ai campi magnetici; il secondo sono i materiali che resistano alle condizioni del reattore il terzo è il problema delle interruzioni repentine del funzionamento e del conseguente enorme stress meccanico a cui è sottoposto il reattore; infine occorre migliorare l'efficienza di tutti i componenti».

La strategia europea punta a completare il reattore ITER per il 2025 in modo da iniziare le operazioni con le reazioni a fusione per il 2035. Successivamente, per il 2050, verrà realizzato DEMO, un reattore che dovrà dimostrare la possibilità di sostenere una reazione di fusione per un tempo lungo, di almeno 1000 secondi, con produzione di energia elettrica in rete . In breve, DEMO sarà uno sviluppo di ITER in grado di mantenere la reazione per un tempo maggiore. «La ricerca europea punta anche sullo Stellarator, basato su su un concetto alternativo a quello di Tokamak, per confinare il plasma in modo stazionario » conclude Antoni.

Il progetto con CFS al quale partecipa l'Eni ha il vantaggio di puntare a un reattore più piccolo e di coinvolgere un minor numero di partecipanti. «Sarà completato in circa 15 anni» dice Giuseppe Tannoia direttore del Centro di Ricerca e Sviluppo Eni «La sua realizzazione prevede tre fasi: lo sviluppo di magneti superconduttori ad alta temperatura, la costruzione di un dispositivo sperimentale con produzione energetica positiva e la gestione del primo impianto industriale per la produzione di energia da fusione continua». Il punto chiave di questo progetto sta proprio nei superconduttori:«Rispetto a quelli di ITER, i superconduttori del progetto con CFS possono lavorare a temperatura più alta e ciò permetterà una gestione dell'energia più efficiente, aprendo la strada a rettori circa dieci volte più piccoli» conclude Tannoia.

Mettendo a confronto i valori dei parametri e delle prestazioni raggiunti nella ricerca prima di e dopo ITER si possono notare progressi nella capacità di raggiungere la densità e la pressione del plasma necessari per la reazione di fusione come pure successi nella frazione di corrente autosostenuta , nella tecnologia dei materiali resistenti e nella vita dei componenti che interagiscono con il plasma, in particolare il divertore. Il periodo che viene sarà fondamentale per identificare le soluzioni progettuali necessarie per sfruttare queste conoscenze accumulate. E, come sempre accade, vedremo applicazioni utili in altri settori.