Fusione nucleare: a che punto siamo?

1. Fissione nucleare: l’energia atomica

La fissione nucleare, realizzata artificialmente per la prima volta da Enrico Fermi nel dicembre del 1942, consiste nello scindere nuclei pesanti – molto pesanti … oltre duecento volte più pesanti dell’idrogeno! –  in nuclei più piccoli. L’operazione è mediata dai neutroni, “cugini” neutri del protone, che altro non è che l’idrogeno senza il suo elettrone.

L’atomo è composto dal nucleo, carico positivamente e dagli elettroni carichi negativamente, in un legame elettrostatico. Il nucleo, che ha quasi tutta la massa dell’atomo, a sua volta è composto da protoni (carichi positivamente) e da neutroni (neutri). Protoni e neutroni hanno praticamente la stessa massa e sono legati nel nucleo dalla forza “forte” (detta anche nucleare) che è a brevissimo raggio (a differenza di quella elettromagnetica, che è a lungo raggio) ma molto intensa.

Generalmente il nucleo è tenuto assieme stabilmente dalla forza nucleare che vince sulla repulsione elettromagnetica dei protoni carichi positivamente. Succede però che, per nuclei molto pesanti, il sistema non sia più così stabile e che basti un “neutrone lento” esterno a innescare la “fissione” del nucleo in nuclei più piccoli ed in altri neutroni, liberando energia. Il processo, ora ben noto, innesca una reazione a catena che induce tutti i nuclei pesanti con queste caratteristiche a scindersi con una reazione esplosiva, se incontrollata, o con una reazione in grado di generare energia, se controllata. Il nucleo “fissile” più facilmente reperibile è l’uranio-235 (92 protoni e 143 neutroni), che si ottiene per “arricchimento” dell’uranio naturale che contiene solo lo 0,7% di questo isotopo, mentre al 99,3% si tratta di uranio-238 (92 protoni e 146 neutroni).

Figura 1 – Fissione nucleare dell’uranio-235 (fonte: Electropaedia).

Altri nuclei fissili, come il plutonio-239 e l’uranio-233, sono ottenuti per via artificiale per assorbimento di neutroni rispettivamente dell’uranio-238 e del torio-232. Il vantaggio che offrono le reazioni nucleari è legato alla quantità di energia che sono in grado di generare, milioni di volte superiore all’energia chimica. Se la combustione di gas metano, petrolio o carbone produce circa dieci kcal (chilocalorie) per grammo di combustibile, la fissione nucleare è in grado di generare ben venti milioni di kcal per grammo di uranio-235.

I problemi della fissione sono connessi alla difficoltà di controllarne la reazione – nelle centrali atomiche sono utilizzate allo scopo barre di assorbimento dei neutroni, ma si tratta di un controllo “attivo”: in assenza di sistemi di contenimento la reazione procede senza fermarsi fino al rischio di fusione (non nucleare) del nocciolo e conseguente fuoriuscita del materiale radioattivo in ambiente. I sottoprodotti di reazione sono inoltre sostanze radioattive con vita lunghissima, tali da rendere inabitabili intere regioni – questo è un problema sia per l’uso pacifico che per l’uso militare di tale tecnologia. Senza dimenticare che lo stesso combustibile nucleare fissile è materiale radioattivo e quindi richiede particolari attenzioni nel trattamento.

2. La grande sfida della fusione nucleare

Con la fusione nucleare, invece, nuclei leggeri si combinano in un nucleo più pesante in una configurazione energeticamente più conveniente generando quindi energia. E’ il processo grazie al quale le stelle, e tra esse il nostro Sole, generano energia per miliardi di anni trasformando idrogeno in elio: il nucleo di elio ha infatti una massa leggermente inferiore a quella di quattro nuclei di idrogeno e la differenza diviene energia. Con lo stesso meccanismo, con la fusione dei nuclei via via più pesanti, nelle stelle più massicce vengono creati tutti gli elementi di cui siamo fatti: il carbonio, l’azoto, l’ossigeno e così via fino agli elementi più pesanti come il piombo e l’uranio.

Sulla Terra, la fusione dei nuclei di idrogeno-1 (ovvero dei protoni) è fuori portata per via della fortissima repulsione tra le cariche elettriche positive di tali particelle. E’ invece più accessibile la fusione tra gli isotopi più pesanti dell’idrogeno-2, ovvero del deuterio o dell’idrogeno-3, ovvero del trizio, radioattivo.

Figura 2 – La fusione di deuterio (idrogeno-2) e trizio (idrogeno-3) produce elio (elio-4) ed un neutrone, con l’emissione di 17,6 MeV (mega elettronvolt) di energia (fonte: CNR ). A destra: la reazione a fusione che avviene nel sole (6 H >> He + 2H; in questa immagine sono evidenziati anche i prodotti leptonici).

I vantaggi della fusione rispetto alla fissione sono diversi. L’energia sprigionata dalla fusione è ancora maggiore di quella ottenuta dalla fissione di un fattore dieci: da un grammo di deuterio si possono ottenere centinaia di milioni di kcal[1]. Non solo: i prodotti di reazione – a parte l’elio, inerte, ci sono i neutroni che possono essere assorbiti da particolari materiali – non sono pericolosi come nel caso della fissione, pertanto non deve essere gestito il grave problema delle scorie nucleari. Inoltre non c’è il pericolo di perdere il controllo della reazione: abbassando la temperatura o la densità, la fusione si ferma istantaneamente. Da ultimo, il deuterio non è radioattivo, quindi non servono particolari cautele per la sua manipolazione. Poco meno di un atomo di idrogeno ogni seimila è deuterio, quindi si può estrarre dall’acqua. Il trizio invece è radioattivo, e si produce per assorbimento di neutroni da parte di materiali leggeri (deuterio, litio o berillio).

Il problema è che, se la reazione a fusione in forma incontrollata è stata ottenuta (è la famigerata “bomba H”), la reazione a fusione controllata per usi pacifici rappresenta una sfida formidabile, che impegna da diversi decenni i più importanti laboratori del mondo.

3. Il progetto ITER

Con un investimento da ben 20 miliardi di euro, il progetto europeo ITER, che ha visto le prime attività di costruzione nel 2018 nel sito di Cadarache in Francia, prevede l’accensione di un reattore sperimentale a fusione nel 2025 e la prima reazione di fusione nel 2035, con una “taglia” energetica di 500 megawatt. Nel cantiere lavorano diverse migliaia di persone e sono in costruzione circa quaranta edifici alti fino a 60 metri.

Figura 3 – Schematica del reattore ITER in construzione a Cadarache in Francia.

Il reattore, un anello tokamak [1] con un diametro di 30 metri, un’altezza di 30 metri ed un peso di oltre 20mila tonnellate, dovrà mantenere confinato un plasma di deuterio e trizio ad una temperatura di ben 150 milioni di gradi, ovvero pari a dieci volte la temperatura del nucleo del Sole. Il plasma avrà un raggio di 6,2 metri ed occuperà un volume di 840 m3. Allo scopo verranno utilizzati i più potenti magneti attualmente disponibili, in grado di generare campi di 10 Tesla ( = 100.000 Gauss, ovvero 200mila volte più forti del campo magnetico terrestre). Campi magnetici di questa portata richiedono avvolgimenti con materiali superconduttori (ovvero conduttori con resistività bassissima) che devono essere mantenuti a temperature pari quasi allo zero assoluto (alcuni gradi Kelvin, ovvero -269 gradi centigradi) da un circuito di raffreddamento ad elio liquido.

4. Fusione nucleare … in Italia?

Forse non a tutti è noto che, dal 1992, a Legnaro (Padova), è operativo un laboratorio di avanguardia sulla fusione nucleare, RFX (sigla che sta per Ricerca, Formazione, Innovazione). Non solo. E’ italiano e sarà insediato a Frascati – uno dei siti possibili era Marghera – il laboratorio DTT (Divertor Tokamak Test Facility) da mezzo miliardo di euro (e due miliardi di indotto) per sperimentare le condizioni di estrema temperatura necessarie per ITER.

Figura 4 – Schematica del DTT in costruzione a Frascati (fonte: Il Sole 24Ore ).

In questo cilindro ipertecnologico alto dieci metri con raggio cinque, saranno confinati 33 m3 di plasma e portati alla temperatura di 100 milioni di gradi con un’intensità di corrente di 6 milioni di Ampere, un carico termico sui materiali fino a 50 milioni di Watt per metro quadro e un’intensità di campo magnetico di 60 mila Gauss [6 Tesla]. Mentre il plasma “scaldato” tramite corrente elettrica dall’effetto Joule lavorerà ad una temperatura di milioni di gradi, i 26 km di cavi superconduttori in niobio e stagno e i 16 km di quelli in niobio e titanio, distanti solo poche decine di centimetri, saranno a 269 °C sotto zero”, fonte: Enea News.

5. Strategie concorrenti: SPARC Vs ITER

Nel 2017, con 50 milioni di euro di dote finanziaria, l’ENI è entrata come partner in un nuovo progetto del MIT di Boston per un reattore a fusione nucleare che promette dimensioni ridotte, con costi più bassi e tempi di realizzazione più stretti grazie a campi magnetici più forti (circa il doppio di quelli di ITER): SPARC. L’idea è che, grazie al materiale YBCO (yttrium-barium-copper oxide, superconduttore ad “alta” temperatura, “solo” -90 gradi) sarà possibile concentrare il plasma molto di più.

Risultato:

 1. minore complessità del reattore (in metri, 3×1 di SPARC contro 30×30 di ITER),

 2. minori costi,

 3. maggiore concentrazione del plasma,

 4. più elevata densità di energia a pari condizioni,

 5. più reazioni,

 6. break-even più facilmente raggiungibile.

Figura 5 – Immagine del reattore a fusione progettato dal MIT di Boston (fonte: MIT news ).

Il gigante ITER e il pulcino SPARC: il futuro in due macchine – Messi a confronto sembrano un gigante e un pulcino: il gigante Iter nato da un progetto internazionale e Sparc, la macchina che il Mit intende realizzare. Il primo, la cui accensione è prevista nel 2025, sarà un cilindro dal diametro di 30 metri e alto 30; Sparc è progettato per produrre 5 volte meno energia di Iter, ma con un dispositivo 65 volte più piccolo. Tuttavia, secondo il Mit, i suoi magneti saranno in grado di generare un campo magnetico quattro volte più potente di quello utilizzato negli altri esperimenti sulla fusione. Queste notevoli differenze sono dovute al materiale scelto per costruire i magneti, che sono il cuore di entrambe le tecnologie. Per Sparc è stato scelto un materiale da Nobel: messo a punto alla fine degli anni ’80, è un nastro di acciaio rivestito di ossido di ittrio bario e rame, che valse nel 1987 il Nobel per la Fisica a Karl Müller e Johannes Georg Bednorz, che ne scoprirono le proprietà di superconduttore ad alta temperatura. Funziona a circa 200 gradi sotto lo zero e per questo è in grado di generare campi magnetici più potenti, rispetto ai superconduttori a bassa temperatura, scelti per Iter.”, cfr link.

Progettato per produrre 100 megawatt (un quinto della “taglia” di ITER, 500 megawatt), SPARC dovrebbe però essere molto più compatto di ITER, nell’ordine di 65 volte, grazie alla maggiore potenza dei campi magnetici.

By using magnets made from the newly available superconducting material — a steel tape coated with a compound called yttrium-barium-copper oxide (YBCO) — SPARC is designed to produce a fusion power output about a fifth that of ITER, but in a device that is only about 1/65 the volume, Hartwig says. The ultimate benefit of the YBCO tape, he adds, is that it drastically reduces the cost, timeline, and organizational complexity required to build net fusion energy devices, enabling new players and new approaches to fusion energy at university and private company scale”, cfr. link.

Il punto critico di questo progetto è proprio il fatto di utilizzare una tecnologia “di frontiera” (i magneti superconduttori ad alta temperatura) per la quale non ci sono certezze, mentre ITER utilizza una tecnologia consolidata (superconduttori a bassa temperatura) già in produzione in macchine come l’acceleratore di particelle LHC al CERN di Ginevra.

Di fatto ITER e SPARC sono strategie complementari, più che concorrenti.

In ogni caso le entità economiche in gioco e le capacità abilitanti dovute alle nuove tecnologie ci fanno confidare che ormai l’obiettivo della fusione nucleare per la produzione di energia sia ormai “in vista” entro i prossimi decenni.

6. Concorrenza e cooperazione globale: le nuove frontiere della scienza

Non ci sono solo Europa e Stati Uniti. Verso fine 2018 le agenzie di stampa hanno rilanciato la notizia del raggiungimento della temperatura di 100 milioni di gradi nell’Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) attivo dal 2006 nei laboratori cinesi:

the Chinese EAST reactor relies on the magnetic fields produced by the moving plasma itself to keep the torus in check. This makes it less stable, but allows physicists to increase heat levels. After a four month-long campaign, the EAST science team was able to integrate four types of heating power in order to reach a new temperature record. These included lower hybrid wave heating, electron cyclotron wave heating, ion cyclotron resonance heating and neutral beam ion heating. Through these combined methods, the plasma current density profile was optimized”.

EAST si inquadra in un contesto di competizione-collaborazione scientifica con le altre realtà internazionali, in particolare con i progetti “di bandiera”, gli europei ITER & DEMO:

Operating scenarios including the steady-state high-performance H-mode and electron temperatures over 100 million degrees on EAST have made unique contributions towards ITER, the Chinese Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) and DEMO”.

Nel suo nuovo ruolo di player globale attivo nelle tecnologie più avanzate, la Cina nell’ultimo anno ha dato ampia dimostrazione delle sue capacità nella “scienza di frontiera”: oltre alla fusione, ricordiamo l’allunaggio di sonda Chang’e-4  (insieme al rover Yutu-2) dello scorso 3 gennaio 2019 nella faccia nascosta della Luna. E’ cinese anche il grande progetto di un acceleratore di particelle circolare, il Circular Electron Positron  Collider (CEPC), confrontabile per sforzo finanziario e tecnologico al Future Circular Collider (FCC) da 100 km di diametro (e 20 miliardi di euro di budget) presentato ufficialmente[3] dal CERN nei primi giorni del 2019.

E’ opportuno ricordare come le tecnologie per il contenimento del plasma nei reattori tokamak per la fusione nucleare non siano così dissimili da quelle utilizzate per i grandi acceleratori circolari di particelle: in entrambi i casi sono necessari fortissimi campi magnetici nell’ordine delle decine di Tesla. I grandi investimenti richiesti per la costruzione dei nuovi acceleratori di particelle potranno avere ricadute immediate per una migliore capacità di contenimento dei plasmi nei reattori a fusione.

Gli scenari nel prossimo periodo saranno certamente molto interessanti.


[1] Cfr. https://www.universetoday.com/140540/chinese-fusion-experiment-reaches-100-million-degrees/.

[2] Cfr. http://english.cas.cn/newsroom/news/201811/t20181113_201191.shtml.

[3] Cfr. https://home.cern/science/accelerators/future-circular-collider.


[1] Cfr. https://www.ansa.it/canale_scienza_tecnica/notizie/energia/2018/03/09/fusione-mit-punta-a-realizzarla-in-15-anni-con-eni_e06c271f-65be-4929-8bf1-b17d11d202e2.html.

[2] Cfr. http://news.mit.edu/2018/mit-newly-formed-company-launch-novel-approach-fusion-power-0309.

 


[1] Cfr. http://www.enea.it/it/Stampa/news/energia-fusione-sempre-piu-vicino-progetto-dtt-in-italia


[1] Cfr. https://www.igi.cnr.it/?q=content/history

[2] Per un approfondimento in merito, cfr. https://candiello.wordpress.com/2018/01/17/fusione-nucleare-a-marghera-cerchiamo-di-capire/.


[1] Un acronimo russo che sta per “camera toroidale con campi magnetici” (тороидальная камера с магнитными катушками).


[1] Recentemente è emerso che la fusione di quark (i costituenti elementari dei protoni e dei neutroni) potrebbe generare ancora più energia – ma le applicazioni pratiche sembrano molto improbabili allo stato attuale, cfr. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/11/08/no-melting-quarks-will-never-work-as-an-energy-source/


[1] Vedasi quale introduzione, ad esempio: https://www.ifp.cnr.it/la-fusione-nucleare.

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