Energia

Fusione nucleare: i record e i protagonisti

Il record del reattore JET segna un vantaggio della fusione nucleare europea su quella di Cina e Stati Uniti, ma in corsa ci sono anche i privati.

La notizia ha fatto il giro del mondo: il record di tenuta e potenza sulla fusione nucleare, che resisteva da 24 anni, è stato superato dagli scienziati e dagli ingegneri del Joint European Torus (JET), vicino a Oxford, nel Regno Unito, che hanno generato la maggior quantità di energia mai prodotta dalla fusione di atomi, raddoppiando il proprio record del 1997. «Questi risultati storici hanno portato a un enorme passo in avanti verso la conquista di una delle più grandi sfide scientifiche e ingegneristiche di tutti i tempi», ha affermato Ian Chapman, che guida il Culham Center for Fusion Energy (CCFE), dove ha sede JET.

Il reattore a fusione nucleare è di proprietà dell'Autorità britannica per l'energia atomica, ma le operazioni scientifiche sono gestite da una collaborazione europea, la EUROfusion. Quando i ricercatori riusciranno a sfruttare la fusione nucleare, che è il processo che alimenta il Sole e tutte le stelle, avremo una fonte quasi illimitata di energia pulita, ma finora nessun esperimento ha generato più energia di quanta sia necessaria per far funzionare il reattore stesso.

I risultati di JET non cambiano la situazione, ma suggeriscono che il progetto che seguirà a JET, e che utilizzerà la stessa tecnologia e la stessa miscela di combustibile - l'ambizioso ITER: una macchina da 22 miliardi di dollari che dovrebbe iniziare gli esperimenti di fusione nel 2025 - dovrebbe alla fine essere in grado di raggiungere quell'obiettivo. «Gli esperimenti, il culmine di quasi due decenni di lavoro, sono importanti per aiutare gli scienziati a prevedere come si comporterà ITER e guideranno le sue impostazioni operative», afferma Anne White, fisica del plasma presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge che lavora sui tokamak - termine che identifica la tipologia di reattori come JET e ITER.

Sezione di un reattore tokamak (confinamento magnetico): in evidenza, l'anello al centro del quale il plasma portato a milioni di gradi viene tenuto in sospensione grazie a potenti magneti.
Sezione di un reattore tokamak (confinamento magnetico): in evidenza, l'anello al centro del quale il plasma portato a milioni di gradi viene tenuto in sospensione grazie a potenti magneti. © UKAEA

20 anni per il nuovo record. JET e ITER sono reattori a confinamento magnetico: utilizzano cioè campi magnetici per "confinare" il plasma (il gas surriscaldato di isotopi di idrogeno) nell'anello del reattore, in sospensione, senza che tocchi le pareti - che non potrebbero reggere quelle temperature. Sotto elevatissime temperature (circa 100 milioni di gradi centigradi) e pressioni, gli isotopi dell'idrogeno si fondono in elio, rilasciando energia sotto forma di neutroni. Qui si ferma il lavoro del JET, ma in futuro questi neutroni riscalderanno l'acqua che, diventando vapore, alimenterà le turbine per produrre elettricità.

Per battere il record energetico, JET ha utilizzato una miscela di carburante al trizio, la stessa che alimenterà ITER, in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia. Il trizio è un isotopo raro e radioattivo dell'idrogeno (composto da un protone e due neutroni) che, quando si fonde con il deuterio (isotopo stabile dell'idrogeno, composto da un neutrone e un protone), produce molti più neutroni rispetto al far fondere solo atomi di idrogeno (composto da un solo protone). Ciò aumenta la produzione di energia, ma l'utilizzo di questo carburante ha richiesto a JET anni di adeguamento per preparare la macchina alla prova. Nell'esperimento del 21 dicembre 2021 il tokamak di JET ha prodotto 59 megajoule di energia in un "impulso" di fusione di cinque secondi, più del doppio dei 21,7 megajoule rilasciati nel 1997 in circa quattro secondi: un miglioramento ha richiesto 20 anni di ottimizzazione sperimentale e aggiornamenti di materiali strutturali - come la parete interna del tokamak, la regione del reattore più vicina al plasma.

Perché 100 milioni di gradi quando il Sole fa la stessa cosa con temperature che vanno da 5.500 °C (in superficie) a 13.600.000 gradi °C (nel nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione)? La differenza la fanno le enormi pressioni nel nucleo della nostra stella, impossibili da replicare sulla Terra, dove è perciò necessario compensare con temperature altrettanto enormi.

"Q" è la lettera magica. La produzione di energia per un certo numero di secondi è essenziale per comprendere e studiare il riscaldamento, il raffreddamento e i moti all'interno del plasma - tutte informazioni cruciali per ITER. Cinque secondi possono sembrare pochi, ma «è un grosso risultato, davvero impressionante», commenta Josefine Proll, della Eindhoven University of Technology, che lavora su un progetto alternativo di reattore a fusione di tipo stellarator, anch'esso a confinamento magnetico.

L'anno scorso, la National Ignition Facility (NIF) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha stabilito un record di fusione diverso: ha utilizzato la tecnologia laser (confinamento inerziale, anziché magnetico) per produrre la più alta potenza di fusione rispetto alla potenza in ingresso, un valore chiamato Q. La struttura ha prodotto un Q di 0,7, dove 1 sarebbe pareggio - un punto di riferimento per la fusione laser, che ha battuto il record del 1997 di JET. Ma l'evento ebbe vita breve, producendo appena 1,9 megajoule in meno di 4 miliardesimi di secondo.

«L'ultimo esperimento di JET ha sostenuto un valore Q di 0,33 per cinque secondi», afferma Fernanda Rimini, scienziata del plasma presso il CCFE. Con un decimo del volume, JET è una versione ridotta di ITER: una vasca da bagno rispetto a una piscina, e poiché perde calore più facilmente non ci si aspettava che raggiungesse il pareggio. Se gli ingegneri applicassero le stesse condizioni e l'approccio fisico a ITER, afferma, probabilmente raggiungerebbe un Q di 10, ossia dieci volte l'energia immessa. L'esperimento, frutto di cinque mesi di intenso lavoro, ha dato agli scienziati una gran mole di dati su cui lavorare nei prossimi anni e ha spinto il dispositivo al suo "massimo assoluto", commenta Rimini, che ha assistito in tempo reale al test da record.

Il video qui sotto (© UKAEA) porta direttamente nel cuore di JET, ossia dentro l'anello dove il plasma portato a 100 milioni di gradi è tenuto in sospensione dai magneti. La tecnologia a confinamento magnetico è quella dei reattori tokamak, acronimo russo per camera toroidale con spire magnetiche.

La Cina è vicina. Anche la Cina ha ottenuto grandi successi in fatto di fusione nucleare con il suo EAST (a confinamento magnetico), che aveva fatto parlare di sé nel 2018. È del mese scorso la notizia (lapidaria e senza dettagli) che gli scienziati cinesi hanno portato con successo il plasma in un loro reattore a 70 milioni di gradi Celsius e lo hanno mantenuto in questo stato per più di 17 minuti; lo scorso maggio hanno invece raggiunto i 120 milioni di gradi per 101 secondi. A differenza degli esperimenti nel JET, però, gli scienziati cinesi alimentano la fusione con plasma a densità inferiore.

«La temperatura necessaria è già stata raggiunta dai cinesi, ma per quanto riguarda la densità del plasma e il tempo di confinamento, i colleghi cinesi sono ancora lontani dai valori necessari», afferma Hartmut Zohm, del Max Planck Institute: «i ricercatori europei si possono considerare più avanti con le tre condizioni indispensabili», che sono la temperatura, la densità del plasma (che non deve essere troppo bassa né troppo alta) e la durata.

In corsa anche il privato. Per quanto siano richiesti finanziamenti ingenti, non ci sono solo i governi a studiare la fusione nucleare. Culham è una cittadina inglese che potrebbe fare parlare molto di sé nei prossimi anni: qui, nel 2022, si costruirà una struttura di una società privata dove potrebbe prendere concretamente il via la tecnologia necessaria alla fusione. E non è l'unico esempio: sono almeno una trentina le aziende private che lavorano alla fusione nucleare. Lo sostiene la Fusion Industry Association (Washington DC), consorzio di aziende che pare abbiano complessivamente raccolto più di 2,4 miliardi di dollari, quasi interamente da investimenti privati, per la ricerca di nuovi materiali, software e altre soluzioni tecnologiche più lenti da ottenere per i grandi consorzi pubblici.

A Culham, oggi fulcro della ricerca sulla fusione nel Regno Unito, nascerà un impianto dimostrativo della General Fusion (GF), società con sede a Burnaby, in Canada, che potrebbe iniziare a funzionare nel 2025 - e che, nelle intenzioni dell'azienda, potrebbe diventare un prodotto commerciale all'inizio degli anni '30, tra una decina di anni. «Sarà la prima dimostrazione su larga scala di elementi essenziali per una centrale elettrica a fusione», afferma l'amministratore delegato di GF, Chris Mowry.

Anche in Italia, la principale società che si occupa di combustibili fossili crede molto nella fusione nucleare. Claudio Descalzi, AD di ENI, afferma che «per ENI, la fusione a confinamento magnetico occupa un ruolo centrale nella ricerca tecnologica finalizzata al percorso di decarbonizzazione: consentirà all'umanità di disporre di grandi quantità di energia prodotta in modo sicuro, pulito e virtualmente inesauribile, e senza alcuna emissione di gas serra». E infatti ENI sta partecipando allo sviluppo dei principali progetti italiani e internazionali sulla fusione a confinamento magnetico, dal Commonwealth Fusion System al Plasma Science and Fusion Center del MIT, fino al Divertor Tokamak Test (progetto dell'Enea a Frascati) e all'ITER. La strada è ancora lunga, ma le energie di molti vanno in quella direzione, ed è ciò che conta.

11 febbraio 2022 Luigi Bignami
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