Il 2022 è stato un anno di importanti traguardi nel campo della fusione nucleare. L’ultima notizia, giunta a Dicembre, ha riguardato l’esperimento di fusione inerziale presso il National Ignition Facility (NIF) negli Stati Uniti. Una piccola quantità di combustibile, sottoposta ad intenso irraggiamento laser, ha rilasciato per la prima volta più energia di quanto ne sia stata fornita grazie alle reazioni di fusione. Nel nostro continente, invece, due sono stati i risultati più significativi. Un’intelligenza artificiale sviluppata in collaborazione con Google è stata applicata con successo al controllo del combustibile nella macchina TCV (Tokamak à Configuration Variable) presso l’EPFL di Losanna, mentre vicino ad Oxford l’esperimento JET (Joint European Torus) ha segnato il record di massima energia mai ottenuta.
Ma andiamo con ordine. Che cos’è la Fusione Nucleare e quale sua applicazione motiva tutto quest’interesse?
Il processo di fusione dei nuclei atomici consiste nella creazione di elementi più pesanti a partire da altri più leggeri con conseguente emissione di particelle veloci e radiazione, ovvero energia. Si tratta dello stesso fenomeno che permette al Sole di brillare. All’interno della nostra stella, infatti, grazie alle enormi pressioni e temperature, i nuclei d’Idrogeno si fondono formando Elio e rilasciando una grande quantità di energia. La fusione può essere vista come il fenomeno inverso della fissione, in cui atomi molto pesanti come l’Uranio vengono scissi generando elementi più leggeri (le famigerate scorie) ed alimentando una reazione a catena che viene sfruttata nelle attuali centrali nucleari. Come nella fissione anche la fusione non produce gas ad effetto serra.
Ecco, quindi, che l’applicazione più interessante dell’energia nucleare è quella della produzione di elettricità senza incidere sul Global Warming e con un’altissima densità energetica, ovvero con un chilogrammo di combustibile nucleare si ottiene la stessa quantità di energia prodotta bruciando dieci milioni di chilogrammi di carbone. Inoltre, la fusione non restituisce scorie radioattive dirette che, nel caso della fissione, complicano la gestione dei rifiuti per migliaia di anni. Insomma una fonte di energia veramente pulita per soddisfare l’enorme fabbisogno energetico del pianeta. Dov’è allora l’inghippo? Il fatto è che dopo decenni di ricerca non si è ancora acquisita la capacità di operare una centrale in modo economicamente vantaggioso. In altri termini, ad oggi non si è mai ottenuta più energia di quanto ne sia stata fornita per accendere il reattore e farlo funzionare. Detto ancora diversamente, una centrale elettrica richiede che le reazioni siano sufficientemente autosostenute e che l’energia prodotta, una volta convertita in elettricità, sia abbastanza da essere venduta a prezzi di mercato. Vediamo perché e come le cose cambieranno nel prossimo futuro.
Per riprodurre il Sole sulla Terra, cioè fare la fusione in laboratorio si deve scegliere un combustibile diverso da quello stellare. Si usa, infatti, una miscela di due isotopi dell’Idrogeno: Deuterio e Trizio, il primo facilissimo da ottenere dall’acqua ed il secondo ricavabile dall’abbondante Litio. Questo è un ulteriore aspetto positivo della fusione: le materie prime sono piuttosto equamente distribuite sul pianeta. La reazione Deuterio-Trizio è preferita per la sua maggiore probabilità di successo dato che, mentre nelle stelle le reazioni con il semplice Idrogeno sono stabilizzate dall’enorme massa, sulla Terra non disponiamo di un tale meccanismo e dobbiamo ingegnarci per facilitare il processo. Il primo passo è quello di portare la temperatura oltre i cento milioni di gradi, dieci volte quella del nucleo solare. Sembra strano ma basta una scarica elettrica da milioni di Volt in una camera a vuoto in cui viene “spruzzato” il combustibile ad una densità cento volte minore di quella dell’aria. Il gas così riscaldato, infatti, diventa un plasma cioè un insieme di nuclei atomici (carica elettrica positiva) ed elettroni (carica negativa) separati. Il plasma, sebbene nella nostra esperienza quotidiana sia limitato alle fiamme ed alle lampade al neon, è in realtà lo stato della materia più diffuso nell’Universo e tende naturalmente ad espandersi. È a questo punto che nascono i problemi. Espandendosi il combustibile si raffredda e le reazioni di fusione s’interrompono. Ciò rende una centrale elettrica a fusione intrinsecamente sicura (nessun rischio Chernobyl!) ma, allo stesso tempo, costringe a cercare un modo per confinare il plasma dentro il reattore.
Una delle possibili soluzioni è quella di utilizzare dei campi magnetici per vincolare il moto delle particelle così da creare una gabbia magnetica che dà forma e posizione al plasma all’interno del reattore. Su questo principio si basa il tipo di macchina ad oggi più studiato: il Tokamak. Si tratta di una camera a vuoto a forma di ciambella circondata da bobine proposta negli anni ’50 dai fisici sovietici Igor Tamm e Andrei Sakharov, il primo Nobel per la fisica ed il secondo premiato nel 1975 con il Nobel per la pace per la sua opposizione al regime dell’URSS e alla proliferazione nucleare . Dal loro primo prototipo, sono stati costruiti decine di Tokamak in tutto il mondo per studiare i problemi della stabilità del plasma, del riscaldamento del combustibile e della resistenza dei materiali agli enormi carichi di calore. Tuttavia, nonostante questo modello di reattore abbia rappresentato un grosso passo in avanti, rimangono molte questioni irrisolte che impediscono di accedere alle condizioni di operazione tipiche di una centrale elettrica.
È in questo senso che le novità dell’anno appena trascorso riportate in apertura sono interessanti. Il Tokamak JET, si diceva, ha fornito un quantitativo di energia mai ottenuto prima durante una scarica di plasma di circa sette secondi. Siamo ancora sotto l’energia totale fornita per accendere il reattore ma è ormai chiaro che è possibile basarsi su un Tokamak per le future centrali a fusione. Questo e gli altri risultati ottenuti nei decenni giustificano la costruzione di un reattore sperimentale di dimensioni mai realizzate. Si chiama ITER, è in assemblaggio nel sud della Francia ed è un progetto dal costo di venti miliardi di Euro a cui partecipano tutte le potenze mondiali, a dimostrazione dell’interesse per questa tecnologia. Le stime più realistiche pongono la data di accensione intorno al 2035 e non sarà una sorpresa aspettarsi un’energia da fusione cinque o dieci volte superiore quella spesa per il funzionamento. Si arriverà finalmente ad ottenere un reattore modello per la costruzione delle centrali elettriche. La speranza, però, è di spostarci così in avanti nei parametri da iniziare l’esplorazione di una fisica del plasma nuova e più feconda che permetta di semplificare i reattori del futuro riducendo i costi per un’adozione della fusione anche nei paesi meno ricchi.
La ricerca nel campo, però, non si limita qui ma altri schemi di confinamento vengono studiati in parallelo ad ITER. Ad esempio il già citato confinamento inerziale presso il NIF in cui la scintilla per la fusione viene ottenuta da fasci laser ultra-potenti che fanno implodere e riscaldano una piccola sfera di Deuterio e Trizio congelati. L’esperimento di Dicembre ha mostrato che le reazioni così attivate possono fornire più energia di quanto venga trasferita dal laser. Tuttavia il clamore della scoperta ha nascosto il dettaglio del costo effettivo di accensione: tenendo conto, infatti, dell’energia usata per generare i fasci laser si scopre che siamo ancora lontani da un effettivo sfruttamento a fini di produzione elettrica. Ma in attesa di tecnologie laser più efficaci, un’altra concezione di macchina potrà risolvere alcuni dei problemi del Tokamak. Si chiama Stellarator ed il primo modello di dimensioni significative è in attività in Germania dal 2015. Infine, tornando sul fronte dei Tokamak, nell’ultimo decennio sono arrivati gli investimenti privati. Concezioni di Tokamak più piccoli, basati su un utilizzo intelligente dei materiali superconduttori, sono alla base di numerose start-up finanziate non solo dal pubblico ma anche da grandi aziende.
Nel futuro la fusione nucleare sarà uno degli elementi più preziosi del mix energetico per la grande disponibilità della materia prima, la sicurezza intrinseca e l’assenza di gas ad effetto serra. Tuttavia la necessità di ridurre le emissioni di gas ad effetto serra qui ed ora impone investimenti soprattutto in altre direzioni. Abbiamo, insomma, l’urgenza di considerare le opzioni oggi funzionanti, collaudate ed affidabili per ribilanciare la produzione elettrica verso le emissioni-zero. Eolico, fotovoltatico e nucleare a fissione sono irrinunciabili per sostituire le fonti fossili in modo da continuare a garantire una produzione della ricchezza sostenibile e giungere infine alla tanto agognata, ma oggi più vicina, fusione.
