FUSIONE NUCLEARE: DALLA FANTASCIENZA ALLA REALTA

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1 FUSIONE NUCLEARE: DALLA FANTASCIENZA ALLA REALTA A cura di Angelo MATTEUCCI A.A Modello di reattore a fusione di tipo Tokamar La fusione nucleare, ovvero il procedimento inverso della fissione nucleare, utilizzato già a metà del XX secolo per la progettazione delle cosiddette Bombe H (o bombe all idrogeno), è oggetto di ricerca da parte dei più importanti scienziati del mondo, con lo scopo di ottenere un metodo di produzione energetica senza precedenti: il metodo, ai giorni d oggi ottenibile soltanto sulla carta, un giorno non lontano potrebbe diventare realtà, e ciò porterebbe a conseguenze strabilianti nella vita dell uomo: si potrebbe sfruttare una fonte di energia poco costosa da ottenere, disponibile pressoché ovunque, estremamente efficiente, rinnovabile, e soprattutto quasi completamente priva di impatto ambientale; ciò finirebbe per eliminare del tutto la concorrenza contro ogni altro sistema di produzione di energia, riducendo drasticamente l impatto ambientale che essa comporta. Introduzione: un ripasso di fisica In fisica nucleare, la fusione nucleare è il processo di reazione nucleare attraverso il quale i nuclei di due o più atomi vengono avvicinati o compressi a tal punto da superare la repulsione elettromagnetica e unirsi tra loro generando il nucleo di un elemento di massa minore, o maggiore, della somma delle masse dei nuclei reagenti, nonché, talvolta, uno o più neutroni liberi.

2 Il processo di fusione è il meccanismo che alimenta le stelle, dove si generano tutti gli elementi che costituiscono l'universo, dall'elio fino all'uranio. La fusione è stata riprodotta dall'uomo con la realizzazione della bomba H, con l ottenimento di una quantità incommensurabile di energia incontrollata (la più potente, la Bomba Zar testata dall URSS nel 1961, ha raggiunto una potenza di kilotoni, ovvero la potenza dell esplosione di 50 milioni di tonnellate di tritolo). Studi sono in corso per riprodurre a fini energetici fenomeni di fusione nucleare controllata in reattori nucleari a fusione. Le ricerche sulla fusione per scopi militari cominciarono all'inizio degli anni 40 come parte del Progetto Manhattan, ma questo fu realizzato solo nel 1951, e la fusione nucleare su vasta scala in un'esplosione fu eseguita per la prima volta il 1º novembre 1952, nel test sulla bomba all idrogeno denominato Ivy Mike. Le ricerche sullo sviluppo per la fusione termonucleare controllata per scopi civili cominciarono anch'essi seriamente negli anni 50, e continuano ancora oggi. Due progetti, il National Ignition Facility e il progetto ITER sono in corso per raggiungere l'obiettivo dopo 60 anni di miglioramenti dei modelli sviluppati dai precedenti esperimenti. Anche l Italia sta studiando la possibilità di realizzare un reattore sperimentale a fusione nucleare con confinamento magnetico. Il progetto in questione si chiama IGNITOR ed è stato realizzato dall'enea; pur essendo ormai il progetto in fase avanzata, la sua costruzione non è ancora cominciata. La reazione più studiata per scopi pacifici è la reazione deuterio-trizio (D-T), che è quella a energia di attivazione più bassa: ciò permette di utilizzare dei reagenti a temperature nettamente più basse che nelle altre reazioni (tipicamente, a una temperatura di 20 kev equivalente a circa 200 milioni di gradi). Lo svantaggio è la produzione di neutroni ad alte energie (14,1 MeV), che essendo privi di carica non possono essere confinati da un campo magnetico e necessitano di schermature apposite (cemento armato), e tendono ad attivare i materiali metallici nelle vicinanze. Questo è uno dei principali problemi per un reattore a fusione. I neutroni rappresentano però una possibile fonte per la produzione di calore nelle pareti, sfruttabile per la produzione di energia elettrica e del Trizio da reazioni di cattura in speciali pareti (blanket triziogeno) della macchina. Ci sono studi che esplorano le possibilità di sfruttamento pacifico della reazione deuterio-deuterio (D-D), che nel 50% dei casi produce neutroni con un'energia nettamente più bassa (2,5 MeV circa). L'energia di attivazione è però molto più elevata che nel caso D-T, per cui allo stato attuale delle ricerche la possibilità di usare questo tipo di reazione è abbastanza remota. C'è da sottolineare, infine, che i requisiti di un reattore a fusione (assenza di reazioni a catena, possibilmente basso flusso neutronico, bassa energia di attivazione) sono esattamente l'opposto di quelli per una bomba all idrogeno. 2

3 Nel caso della fusione nucleare quindi, la separazione fra ricerca civile e militare è più netta che nel caso della fissione nucleare. Fusione nucleare: ricerca, progetti e vantaggi Negli ultimi sessant'anni è stato profuso un notevole sforzo teorico e sperimentale per mettere a punto la fusione nucleare per realizzare elettricità e anche come sistema di propulsione per razzi, ben più efficiente dei sistemi basati su reazioni chimiche o sulla reazione di fissione. Una delle strade scelte per raggiungere lo scopo, quella che al momento sembra la più realistica, è ITER, acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, dove in una macchina che si è evoluta da un progetto del 1950, il tokamak, viene tenuto in sospensione magnetica il plasma (il materiale a elevatissime temperature) al fine di fondere gli atomi di idrogeno e produrre energia. L'idrogeno in realtà è deuterio (1 protone, 1 neutrone) e trizio (1 protone, 2 neutroni): da un punto di vista teorico gli scienziati conoscono il processo, ma le condizioni che si devono ottenere richiedono ancora sforzi tecnologici ingenti. È insomma necessario sviluppare ulteriormente la tecnologia della fusione, e ITER ha proprio questo obiettivo: da questa macchina non uscirà energia da fusione nucleare, ma solo la tecnologia necessaria per poterla ottenere. Mille difficoltà. Il progetto ha preso il via nel 2005 a Cadarache, nel sud della Francia, ad opera di un consorzio internazionale composto da Unione Europea, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti, India e Corea del Sud: si ipotizzava di arrivare all accensione del primo plasma nel 2019 ad un costo stimato di circa 10 miliardi di euro. Purtroppo le difficoltà hanno fatto lievitare i costi, oggi più difficili da stimare - anche se si ipotizza che si arriverà ad almeno 20 miliardi di euro. La maggior parte dei costi vanno nella costruzione del solenoide centrale, al cui centro è confinato (sospeso) il plasma di idrogeno grazie a un elettromagnete di 18 metri di diametro, la cui potenza sarebbe in grado di sollevare una portaerei. Come già indicato, gli obiettivi dell'iter sono la realizzazione di un reattore a fusione in grado di produrre più energia di quanta ne venga consumata e in grado di sostenere la fusione nucleare per un tempo superiore ai pochi secondi degli esperimenti analoghi. ITER non è progettato per produrre energia elettrica sfruttabile da utenze esterne, un compito che è invece assegnato al progetto successivo, chiamato DEMO. DEMO sarà un progetto più grande e costoso di ITER dato che sarà necessario realizzare delle strutture sensibilmente più complesse per la 3

4 produzione del trizio direttamente nell'impianto (blanket). Inoltre, le necessità di efficienza nella produzione di energia costringeranno all'uso di refrigeranti diversi dall'acqua utilizzata invece in ITER, richiedendo per questo tecnologie più avanzate e, quindi, più costose. A differenza del progetto ITER, che ha lo scopo di dimostrare la possibilità di ottenere plasma in grado di sostenere la reazione di fusione nucleare per un tempo abbastanza lungo (1000 s), lo scopo principale del progetto DEMO è quello di dimostrare esplicitamente la possibilità di generare energia elettrica tramite reazioni di fusione nucleare. Le caratteristiche del plasma di DEMO devono quindi essere più spinte di quelle del plasma di ITER, cioè tali da mantenere la stabilità della reazione di fusione per un tempo indeterminato. Lo scopo di DEMO è di dimostrare la possibilità di produrre energia elettrica dalla reazione di fusione nucleare, mentre dimostrare l'economicità di questa forma di produzione di energia è lasciato a successive filiere di reattori. Tuttavia questi reattori dovranno sfruttare l'esperienza operativa di DEMO per raggiungere lo scopo di avere una produzione di energia elettrica a costi più bassi di quelli dell'energia prodotta da altre fonti (carbone, fissione nucleare). Alla fine del 2015 all'istituto Max Planck di Fisica del Plasma (Greifswald, Germania) è stato acceso un nuovo tipo di reattore a fusione nucleare e fu possibile, in quell'occasione, rilevare la presenza di plasma, ossia gas caldissimo, necessario per produrre la fusione. La macchina si chiama Wendelstein 7-X ed è uno stellarator, ossia uno strumento in grado di contenere il plasma con potenti campi magnetici per dare vita a una reazione nucleare di fusione controllata. È una metodologia già sperimentata negli anni Cinquanta del secolo scorso, abbandonata per molti decenni per le molte difficoltà tecnologiche poste da questo tipo di macchina. I risultati preliminari dei brevi test, annunciati a dicembre 2015, catalizzarono l'attenzione su questo tipo di reattore, senza però riuscire a fugare del tutto le perplessità della comunità scientifica sulle potenzialità del sistema. I ricercatori tedeschi e americani coinvolti nel progetto sono riusciti a produrre campi magnetici di tale intensità da indurre la fusione degli atomi di idrogeno in plasma, ossia il gas di idrogeno mantenuto alla temperatura di molti milioni di gradi - una condizione indispensabile, per compensare l'impossibilità di ottenere sulla Terra la temperatura del Sole. Attualmente, nel mondo ci sono diversi esperimenti in atto per tentare di contenere il plasma in sospensione all'interno del reattore (perché il contatto del gas con le pareti interne del reattore sarebbe catastrofico), e altri sono in via di sviluppo, ma il Wendelstein 7-X sembra essere un passo avanti agli altri. Al momento l'obiettivo non è dunque la produzione di energia: questi studi e tutte le sperimentazioni in corso nel mondo vogliono "solamente" 4

5 dimostrare che è possibile generare il plasma, che si può tenere l'idrogeno in questo stato per più di qualche frazione di secondo, e che si può tenere il plasma in sospensione senza che venga a contatto col reattore. Nel 2019 la macchina sarà caricata con deuterio, e anche per questa seconda fase di test la quantità di energia prodotta sarà "finita", ossia non si cercherà di ottenere lo stato di autosostentamento della reazione: se i risultati saranno positivi, il passo successivo sarà uno Stellarator più grande e potente, per ottenere energia come da una stella. I vantaggi dal punto di vista ambientale sono innumerevoli; ne citiamo alcuni: Il 90% delle scorie hanno una bassa radioattività, che si esaurisce in soli 100 anni, contro i anni della fissione (si eliminerebbe così anche il problema sociale e politico dello stoccaggio); Producono un gas di scarico non radioattivo (l elio); Non producono gas ad effetto serra che influiscono sul riscaldamento globale; Non producono plutonio; Il combustibile della fusione è estratto dall acqua, una risorsa presente in qualsiasi paese del mondo; Si riducono le conseguenze di eventuali incidenti. in caso di perdita di controllo, il reattore a fusione tenderà a raffreddarsi arrestando spontaneamente il processo di fusione. Se vogliamo anche considerare un paragone con le altre fonti di energia, ricordiamo che per generare 1000 MW (fabbisogno di circa di persone) occorre bruciare circa 9000 ton di carbone al giorno, e la combustione genera circa tonnellate di CO 2, oltre ad altri gas nocivi come SO 2 e NO 2. Inoltre, il fabbisogno di energia potrà essere solo in parte soddisfatto con il ricorso a fonti rinnovabili, e le fonti nucleari sono le uniche a emissioni zero che possono competere sia per la produzione di elettricità su larga scala, sia per usi come la produzione di idrogeno 5

6 Come indica il diagramma, è possibile ottenere fino a 11 volte la potenza della fissione, attualmente utilizzata Prospettive: dalla carta alla corrente, quanto ancora? ITER dovrà provare (nel 2025) la fattibilità della fusione e procedere al successivo impianto del dimostratore Demo che genererà la prima energia elettrica da fusione. In tutto il mondo sono attive macchine di sperimentazione di test e prove di fusione che serviranno a ITER per affinare la fisica del futuro reattore, per raccogliere dati e decidere le scelte finali, costruttive e ingegneristiche, dell impianto. Nell orizzonte di una generazione la prospettiva di una nuova fonte di energia nucleare, economica, intrinsecamente sicura e a rilascio ambientale zero, diventerà realtà. Una fortunata congiuntura, (non casuale vista la storia della fisica nucleare italiana, la credibilità dei nostri centri di ricerca pubblici quali Enea, Cnr e Università e dell industria impiantistica ed energetica nazionale), ha consentito all Italia di ottenere la localizzazione del più importante e significativo dei laboratori di test e centri di ricerca che dovranno sostenere Iter nella fattibilità della fusione. Si chiama Dtt (Divertor Tokamak Test), e posizionerà l Italia ai vertici della realizzazione della fusione e dello sfruttamento futuro di questa fonte di energia. Basterà un solo kg di gas di isotopi di idrogeno per produrre l'equivalente di migliaia di tonnellate di carbone, gas naturale, petrolio. Secondo le previsioni degli scienziati, la realizzazione di un reattore funzionante, ma soprattutto efficiente (bisogna fare in modo che l energia 6

7 prodotta superi il costo energetico necessario per l ottenimento delle elevatissime temperature che questo comporta) sarà possibile intorno al Il 2050, per la prospettiva di una sorgente di energia illimitata, è in termini di pianificazione energetica perfettamente in linea con le esigenze. Nel 2050, le previsioni ufficiali indicano il marcato declino delle fonti fossili, il netto aumento della domanda di energia e l insufficiente copertura dei consumi attraverso le rinnovabili. La decarbonizzazione come totale sostituzione delle fonti fossili comincia ad apparire non solo terribilmente costosa ma, soprattutto, non fattibile. Greenpeace presume, al 2050, una penetrazione delle energie rinnovabili all 80 per cento del consumo energetico globale. Intanto: non c è totale sostituibilità delle fonti fossili. E c è un non detto. La plausibilità dei numeri di Greenpeace sconta tre condizioni implicite: il contenimento dei consumi di energia ai livelli attuali (una catastrofe per i poveri del mondo e per i paesi in sviluppo); il mantenimento del contributo attuale dell energia nucleare da fissione (17 per cento); una decrescita del Pil. Le fonti rinnovabili, si conferma, non sono sostitutive delle fonti convenzionali. Intanto, nel 2025 l impianto Iter di Cadarache avvierà l ignizione del primo plasma, il fluido di atomi di idrogeno ionizzato che è il motore della fusione. L obiettivo è raggiungere una reazione di fusione stabile, a una potenza di 500 MW, che duri più di 60 minuti e che sia esotermica: rilasci, cioè, più energia di quanta ne occorre per produrre il plasma e farlo autoalimentare. Le prove a Cadarache dureranno 10 anni. Nel 2035 si passerà al prototipo Demo che testerà la generazione di energia elettrica in rete: se il progetto avrà buon fine, in tutto il mondo, entro il 2050, verranno costruiti reattori all avanguardia, su base di Demo, che una volta messi in funzione, potranno soppiantare ogni altro tipo di fonte energetica, rinnovabile e non. Gli utilizzi inoltre, potranno essere estesi anche per alimentare mezzi di trasporto, dalle auto agli shuttle, aprendo un nuovo orizzonte riguardo i viaggi spaziali (risolverebbe il problema della conservazione del carburante, del peso di diverse tonnellate, che impedisce in parte la progettazione di lunghi viaggi spaziali, come per esempio una possibile futura colonizzazione di Marte). Conclusioni: un futuro migliore? Considerata vera e propria fantascienza all inizio del xx secolo, oggi la fusione nucleare si prospetta come la migliore, se non unica, alternativa alla crisi energetica che affligge il mondo, non solo per la ricerca di combustibili, dato che i più utilizzati, come il carbone, il petrolio o il gas naturale, ma anche l uranio, sono destinati in un futuro non lontano ad esaurirsi, ma anche per l impatto che gli stessi portano all ambiente. Ci sono le energie rinnovabili, è vero, ma l eolico, l idroelettrico e il fotovoltaico non possono essere costruiti 7

8 ovunque nel mondo; inoltre il fotovoltaico è molto costoso (sebbene le tecnologie odierne abbiano ridotto drasticamente i costi), e i pannelli fotovoltaici vanno periodicamente cambiati. Dunque, sono già sulla Terra le persone che un giorno potranno godere del miglior sistema di produzione energetica umanamente concepibile, e quindi la possibilità di un futuro più pulito e migliore per tutti non è lontana. FONTI: nergia