Tutto quello che sappiamo (finora) sulla fusione nucleare

La fusione nucleare è una metodologia sperimentale volta a ottenere una possibile fonte di energia a scopi civili, potenzialmente quasi illimitata, che si avvale degli stessi principi fisici che alimentano le stelle, come il Sole. L'obiettivo è innescare una "fusione" artificiale tra nuclei di atomi di elementi leggeri per generare energia, in misura tale che la reazione sia in grado di autosostenersi, producendo più di quanto venga consumato per attivare e mantenere il processo stesso. Il procedimento è inverso rispetto alla fissione nucleare, che per liberare energia provoca al contrario il decadimento di elementi chimici pesanti.

Il contesto

I consumi energetici globali sono previsti in crescita del 50% entro il 2050, rispetto al 2020 (International energy outlook Eia, 2021) e al tempo stesso il mondo è sempre più alla ricerca di fonti energetiche non clima-alteranti.

Secondo il quadro designato dall'Agenzia internazionale per l'energia (Iea), in uno scenario “Net Zero emissions” entro il 2050, il 90% dell'energia elettrica sarà fornita dalle rinnovabili e l'8% dal nucleare.

Nonostante tale quota sia prevista in calo rispetto al 10% di oggi, il nucleare dovrà raddoppiare la potenza generata dai 413 GW attuali a 812 GW nel 2050 e la produzione di energia dai 2.690 TWh del 2020 a 5.500 TWh. Sebbene il 90% di questa crescita sarà concentrata tra le economie emergenti, l'accelerazione a livello globale dovrebbe essere maggiore rispetto agli ultimi tre decenni, quando la capacità del nucleare è aumentata di circa il 15%. Lo sviluppo della fusione è pertanto considerata un'opportunità da governi, aziende ed enti di ricerca sovranazionali, in virtù di numerosi vantaggi intravisti rispetto alla stessa fissione.

Materia prima

• Il combustibile della fusione nucleare è costituito da isotopi pesanti di idrogeno, ossia deuterio e trizio
• Metalli utili per diverse componenti saranno niobio, stagno e titanio, come superconduttori all’interno dei magneti destinati a controllare il plasma, nonché il litio per autogenerare trizio a ciclo chiuso all’interno del reattore.

Data di invenzione

Il primo concept per un impianto di fusione magnetica fu lo "stellarator", ideato da Lyman Spitzer all'Università di Princeton nel 1951.

Il secondo modello fu il "tokamak", realizzato nel 1958 da Natan Yavlinsky, dell'Istituto Kurchatov dell'energia atomica (Urss).

Infrastruttura

Il tokamak (acronimo russo che significa "camera toroidale con spire magnetiche") è la tipologia di impianto sperimentale più promettente per sfruttare l'energia da fusione con il confinamento magnetico del plasma (è adottato dal 45% delle aziende nel settore).

Il più grande del mondo sarà ITER in Francia, un progetto al quale partecipano Ue, Usa, Russia, Cina, Giappone, India e Corea del Sud. Pesante 23mila tonnellate (pari a 3,5 Torri Eiffel), porterà il plasma a una temperatura di 150 milioni di gradi (10 volte il nucleo del Sole) in un volume di 840 metri cubi. Il serbatoio avrà un diametro esterno di 19,4 metri e sarà alto 11,4 metri.

Il nocciolo di un tokamak è una camera vuota a forma di ciambella al cui interno, sotto l'influsso di un estremo calore (l'impianto cinese East ha raggiunto i 120 milioni di gradi per 101 secondi, nel 2021) ed enorme pressione, l'idrogeno diventa plasma.

Qui, le particelle di deuterio e trizio si scontrano fra loro, vincendo la repulsione elettromagnetica tra nuclei. La fusione genera nuclei di elio, neutroni e grandi quantità di energia e calore, che può essere utilizzato per alimentare una centrale elettrica.

Immettere energia nella rete sarà l'obiettivo di DEMO, il prototipo successore di Iter previsto per il 2050 e che dovrebbe produrre 300-500 MWatt di energia, pari al fabbisogno annuo di 1,5 milioni di famiglie. A questo scopo collaborerà il consorzio Eurofusion (26 stati membri Ue, Svizzera, Regno Unito e Ucraina) che nel febbraio 2022 con l'impianto Joint European Torus a Oxford ha prodotto una quantità record di energia di 59 megaJoule (potenza di 11 megaWatt), mantenendo per 5 secondi le condizioni di fusione.

Il plasma può essere controllato grazie a enormi bobine di superconduttori posizionati intorno al contenitore, che generano un campo elettromagnetico aiutando a mantenere la materia prima instabile e rovente lontano dalle pareti della struttura (nel caso dell'impianto JET, il campo magnetico è 10mila volte più forte di quello della Terra). Il Divertor test tokamak di Enea in costruzione a Frascati impiegherà, per esempio, 26 chilometri di cavi in niobio e stagno e 16 km in niobio e titanio a 269 gradi sotto zero.

Il confinamento magnetico del plasma è impiegato anche dallo stellarator, che invece di indurre correnti elettriche all'interno di esso, usa bobine esterne per generare un campo magnetico rotatorio. Questo metodo è in uso nel reattore Wendelstein 7-X (Max Planck Institute, Germania). La costruzione di tali impianti richiede una precisione millimetrica nel costruire simili "pozzi" di cavi.

Il confinamento inerziale del plasma è un'altra modalità concepita nel 1972 e impiegata per esempio al National Ignition facility di Livermore, in California. Un guscio sferico di dimensioni millimetriche, riempito deuterio e trizio, viene rapidamente compresso grazie all'irraggiamento di laser ad alta potenza. La capsula metallica di combustibile raggiunge temperature e pressioni elevatissime, in grado di innescare la fusione nucleare ed emettere energia sufficiente, prima di espandersi nuovamente. NIF ha ottenuto per la prima volta una quantità di energia (1,3 MegaJoule) pressoché pari all'energia spesa per comprimere e riscaldare il plasma (1,9 MJ), nel luglio 2021.

Punti di forza

• Il processo di fusione non emette gas serra, ma solo nuclei di elio e neutroni. Si ritiene che gli scarti radioattivi (attivazione neutronica) di un impianto a fusione possano avere una durata di circa un secolo, al contrario delle migliaia di anni della fissione
• Il deuterio è un elemento abbondante che può essere estratto dall'acqua pesante o quella del mare
• Un grammo di deuterio sottoposto a fusione produce la stessa quantità di energia prodotta da 30 tonnellate di carbone.

Punti di debolezza

• Il trizio non esiste in natura ed è assai raro, attualmente si trovano solo 20 chilogrammi in tutto il mondo. Inoltre decade in un tempo rapido (circa 12 anni).
• Un grammo di trizio costa 30mila dollari, ma risparmiare un kg di trizio per le esigenze dell'impianto DEMO costerebbe 2 miliardi.
• La fusione deuterio-trizio resta quella più "facile" da ottenere alle temperature più "basse" (oltre 100 milioni di gradi).

Rischi

• Il trizio è un elemento di scarto delle centrali nucleari a fissione e soltanto Canada, Corea del Sud e Romania lo rendono disponibile
• La disponibilità di centrali per scopi commerciali è prevista solo a partire dal 2050 (ITER).
   
• Stima dei costi difficile in fase sperimentale. Il progetto Iter, per esempio, è salito da una previsione di 4,9 miliardi di euro iniziali (2001) a 13 miliardi (2016). Quando la tabella di marcia ha fissato il primo plasma nel 2025 (data poi posticipata) sono stati aggiunti 4 miliardi di euro alla valutazione.

Opportunità

• Aumento dei finanziamenti alle aziende che si occupano di fusione (2,8 miliardi di dollari solo nel 2022, su un totale di 4,8 miliardi complessivi)
• Aumento delle società costituite nell'ultimo decennio nel mondo (23 su 33 in totale)
• Possibilità di integrare l'Intelligenza Artificiale per controllare le bobine magnetiche e mantenere le configurazioni di plasma (DeepMind presso lo Swiss Plasma Center del Politecnico di Losanna).
• Possibilità di produrre trizio dalle collisioni dei neutroni del plasma con un rivestimento o inserzioni di litio interni al reattore (tra gli obiettivi di DEMO).
• Sviluppo di nuovi modelli di reattori, come i Colliding beam fusion (Tae Technologies) oppure la fusione magnetica a target (General Fusion-Ukaea).
• Possibilità di ottimizzare la fusione utilizzando idrogeno e boro, come alternativa alla fusione deuterio-trizio. Il boro rende più stabile il plasma, aiutando a confinarlo mantenendo alta la temperatura.

L'esperto

“La fusione nucleare può essere una soluzione auspicabile nel supportare una transizione energetica efficace, in un contesto di crisi climatica, il peggiore dei problemi del nostro tempo”, spiega Paola Batistoni, responsabile della sezione sviluppo e promozione della fusione nucleare di Enea, Agenzia nazionale capofila per l'Italia dei progetti in questo settore. “La stragrande maggioranza dell'energia nel 2050 sarà da fonti rinnovabili, ma servirà pur sempre un 10-20% di potenza di base continua e programmabile che il nucleare può fornire. La fissione sarà ancora preponderante nel 2050, ma la fusione potrà sostituirla a lungo termine”.

“Certo, dovrà crearsi una nuova filiera industriale, ma i vantaggi previsti sono così tanti che molti Stati hanno voluto partecipare alla ricerca – prosegue Batistoni -. La fusione non pone rischi di proliferazione nucleare, il combustibile è praticamente inesauribile ed è distribuito in modo omogeneo sulla Terra, non lascia scorie, non causa incidenti con impatti importanti a lungo tempo, è possibile arrestare il processo in qualsiasi momento e naturalmente non emette gas serra”.

“Il progetto con i risultati più importanti è finora senza dubbio JET di Eurofusion, perché ha raggiunto un record di potenza e durata di fusione, lavorando in deuterio-trizio – conclude Batistoni -. Ogni progetto nel mondo studia aspetti diversi e questa tecnologia appare quasi matura, tanto che si moltiplicano le iniziative private. Non credo tuttavia che nel prossimo decennio qualcuno sia già in grado di immettere energia elettrica da fusione in rete, con tanto di guadagno di energia e con autosufficienza di trizio, una delle maggiori sfide insieme alla ricerca sui materiali a bassa radioattività indotta. JET ha confermato le previsioni in merito agli obiettivi prefissati di ITER, che dovrà accertare la fattibilità scientifica e tecnologica al quale seguirà DEMO, che dovrà dimostrare la sicurezza ed economicità della fusione. L'orizzonte, una volta piegate tutte le sfide tecnologiche, per noi resta il 2050”.