Fusione nucleare: reattore in Europa entro il 2060 | Fisica

Controllore la potenza di una stella potrebbe risolvere i problemi energetici dell’umanità e anche ridurre di molto l’emissione di sostanza inquinanti derivanti dai combustibili fossili che oggi soddisfano la maggior parte del fabbisogno energetico globale. Creare un reattore a fusione nucleare senza che questo degeneri in una bomba atomica è un’impresa molto ardua. Il vero problema è rendere il sistema di contenimento efficiente, ovvero si deve riuscire a produrre più energia di quella necessaria a controllare la reazione di fusione nucleare. 

KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Research), un tokamak realizzato in Korea del Sud per studiare la fusione nucleare

Fusione nucleare: una stella nel palmo della mano

La fusione nucleare è il fenomeno che alimenta le stelle di tutto l’universo. In condizioni estreme di pressione i nuclei atomici vengono avvicinati talmente tanto che la forza nucleare forte prende il sopravvento sulla repulsione elettromagnetica, creando un nuovo nucleo atomico più grande. Il nuovo nucleo così formato ha una configurazione energetica che non è la somma esatta delle energie potenziali dei due nuclei atomici fusi. Risultato: il gap energetico tra le due configurazioni deve essere colmato assorbendo o emettendo energia nel mondo esterno. Tipicamente elementi leggeri come idrogeno ed elio danno luogo a reazioni di fusione nucleare esotermiche, cioè che producono energia, mentre elementi pesanti come il ferro producono reazioni di fusione nucleare endotermiche cioè che assorbono energia e quindi totalmente inutile ai nostri scopi.

Già da questa breve introduzione si capisce che esistono tanti tipi diversi di reazioni di fusione nucleare e uno dei principali problemi è quello di individuare la reazione più efficiente per la produzione di energia sul nostro pianeta. Infatti nelle stelle è la forza di gravità che addensa la materia in condizioni di pressione e temperatura utili ad iniziare le reazioni di fusione nucleare. In un reattore artificiale questo effetto non è riproducibile. Si utilizzano dei campi magnetici molto forti oppure dei laser ad elevata potenza per fornire ai reagenti l’energia necessaria ad avviare le reazioni di fusione nucleare. Tuttavia è conveniente utilizzare dei reagenti con bassa energia di attivazione perché i macchinari che danno il via alla reazione sono molto energivori.

Fusione di deuterio e trizio, due isotopi dell’idrogeno e i più utilizzati nelle sperimentazioni

Il problema principale rimane il confinamento del materiale durante la fusione nucleare. Avete presente quanto grossa e calda è una stella? Di certo non possiamo permetterci di tenercene una dietro casa. Oltretutto dobbiamo essere in grado di convogliare l’energia termica prodotta in appositi macchinari per convertirla in energia elettrica. Si utilizzano due principali tecniche di confinamento: quella magnetica e quella laser. Nel primo caso è necessario utilizzare particelle polarizzate per la fusione che vengono confinate dal un campo magnetico. L’unico modo di generare un campo magnetico di potenza sufficientemente elevata è quello di utilizzare delle enormi bobine (toroidi in questo caso) attraversati da correnti elevatissime – milioni e milioni di Ampere, la spina di casa eroga 16 Ampere per confronto. Questo è enormemente dispendioso perché vanno usati superconduttori e quindi è necessario raffreddare a temperature molto basse il tutto. Insomma fino ad oggi l’approccio è stato controproducente. Il confinamento laser sfrutta invece la pressione di radiazione prodotta dai laser ad alta energia, ma è in ogni caso dispendiosa a livello energetico.

Riassumendo è ad oggi possibile costruire dei reattori a fusione nucleare, ma essi sono estremamente inefficienti e non si riesce a produrre più energia di quanta ne sia necessaria. Questa è la barriera da abbattere per sperare in un futuro pulito e sicuro per l’umanità.

Esempi di confinamento magnetico

Reattore ITER entro il 2060: l’obiettivo dell’Europa

L’Europa è da anni in prima linea sulla ricerca per la fusione nucleare e lo sforzo congiunto dei paesi membri potrebbe dare dei risultati entro il 2060 quando si pensa verrà inaugurato il primo reattore efficiente della storia. Questo è l’obiettivo di EUROfusion, il consorzio europeo che si occupa di sviluppare gli studi sui reattori a fusione nucleare; entro il 2060 dovremmo vedere funzionanti i primi reattori commerciali capaci di produrre e vendere energia al grande pubblico, stando a quanto illustrato dal presidente dell’assemblea generale di EUROfusion, Ambrogio Fasoli, in occasione di un incontro aperto alla cittadinanza organizzato all’Università di Milano-Bicocca a margine della conferenza sulla fisica del plasma della Società europea di fisica (EPS 2019):

Attraverso questi incontri vogliamo innanzitutto informare i cittadini, che spesso non sanno cosa sia la fusione e ne sono spaventati perché la confondono con la fissione che produce scorie radioattive. Oltre a presentare i nostri progetti, però, vogliamo anche sentire le idee e le perplessità che vengono dalla comunità e dagli esperti, per migliorare il nostro programma.

La fase di sperimentazione sta procedendo spedita con la realizzazione di un reattore ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, tecnologia sviluppata dal lavoro congiunto di numerosi paesi del globo per sviluppare un reattore a confinamento magnetico) che dovrà dimostrare la riproducibilità efficiente delle reazioni di fusione nucleare sulla Terra. Fasoli spiega:

L’opera è completata al 65%, siamo a buon punto. L’inizio degli esperimenti è previsto nel 2025, mentre la prima dimostrazione completa di potenza sarà nel 2035. In attesa dei risultati stiamo già lavorando alla fase successiva, ovvero la progettazione del dimostratore tecnologico Demo, che dovrà aprire la strada alla messa in opera dei reattori commerciali veri e propri. Stiamo facendo ricerca e sviluppo per capire i materiali e le configurazioni più adatti a resistere ai flussi di calore, plasma e radiazione che saranno più estremi rispetto a Iter. La costruzione di Demo dovrebbe partire nel 2030, anche se bisogna ancora stabilire dove sarà realizzato.

Sembra che la fiducia nel progetto ITER sia molto elevata. Riuscire a realizzare un reattore a fusione nucleare sarebbe davvero uno dei traguardi tecnologici più importanti dell’umanità perché permetterebbe di produrre una quantità pressoché illimitata di energia, senza produrre le sostanze inquinanti che oggi ormai sono diventate una piaga per l’umanità intera. Con l’aumentare dei consumi dovuti ad esempio alla diffusione delle auto elettriche sarà necessario far fronte ad un crescente fabbisogno energetico, con le risorse fossile che saranno destinate ad esaurirsi. La fusione nucleare appare come l’unica soluzione possibile.

Il sito francese dove il reattore a fusione nucleare ITER è in costruzione

C’è però da dire che lo sviluppo di questa tecnologia ha spesso trovato molto nemici: le grandi compagnie che gestiscono il mercato dei combustibili fossili vogliono continuare a spremere tutto il possibile e tentano di rallentare lo sviluppo di fonti rinnovabili; i governi delle nazioni stesse sono diffidenti nel condividere conoscenze che potrebbero rivelarsi strategiche nel prossimo futuro. E così molti studi promettenti possono arenarsi e non venire sviluppati. Lo stesso progetto ITER ha subito numerosi ritardi e si spera che finalmente sia stata scritta la sentenza definitiva. Dalla sezione scienze è tutto! Speriamo di darvi presto la notizia del successo di questo reattore a fusione nucleare!