Giotto - Cappella degli Scrovegni a Padova - Particolare delle 400 stelle del soffitto

Guardare le stelle e sognare la fusione nucleare

di Vincenzo Rampolla

Negli ultimi 25 anni i ricercatori del MIT, in sordina, hanno simulato e studiato un minuscolo frammento di Sole, nei pressi del fiume Mystic, tra Boston e Cambridge. Di tanto in tanto, per 2 soli secondi, uno speciale reattore del MIT ha consumato impressionanti quantità di elettricità, impensabili, tali da alimentare l’intera città di Cambridge, per riscaldare i gas contenuti in una camera altrettanto speciale portata a circa 100 milioni di °C.

Obiettivo molto ambizioso: il dominio della fusione nucleare, processo che dà la vita a Sole e stelle.

Dominare sulla Terra la potenza di una stella artificiale per generare elettricità porta immensi vantaggi: evitare emissioni di carbonio, zolfo e azoto; usare come combustibile l’acqua degli oceani (contenente gli isotopi dell'idrogeno necessari alla fusione); far funzionare le centrali per un tempo virtualmente illimitato; occupare uno spazio minimo (una porzione di parco solare), a parità di elettricità prodotta; essere attivi solo in caso di necessità (diverso dai casi eolico e solare); essere esenti da ogni rischio di disastro (vedi Fukushima nel 2011); avere minori svantaggi rispetto alla fissione: consumare acqua per la produzione degli isotopi e produrre scarsi rifiuti radioattivi e poco nocivi.

I ricercatori del MIT sono gli ultimi di generazioni di scienziati che fin dagli anni '30 hanno lavorato alla fusione, periodo in cui i Governi del pianeta vi hanno investito miliardi di dollari e alla fine hanno gettato la spugna: la fusione forse di lì a 10-20 anni. Troppo! Meglio rinunciare. Ricorda la beffa italiana di Ispra e Saluggia…

La fusione nucleare è vista oggi l'energia del futuro e nel decennio, le startup finanziate da privati ​​che si danno alla fusione sono balzate da 4 a 20, con non meno di 70 articoli sulla fusione redatti da 47 fisici operanti con il MIT e per 12 Istituzioni. Commonwealth Fusion Systems (CFS) è la capofila, startup di Boston gestita dagli stessi scienziati del MIT che hanno gettato le basi fisiche e teoriche del cosiddetto reattore compatto a fusione nucleare. Un esempio: la TAE Technology che ha raccolto circa $800 milioni e altre, capaci di rastrellare decine e centinaia di milioni.

Nel frattempo in Francia si lavora su ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), consorzio da $22 miliardi con 35 Paesi che registrano crescenti contributi dai privati. Tra 15 anni CFS conta di portare sul mercato l'energia da fusione grazie all’enorme vantaggio acquisito rispetto ai concorrenti. Finanziata, in parte, da Breakthrough Energy Ventures, è guidata da un pugno di miliardari: Bill Gates e Jeff Bezos in primis, seguiti da Jack Ma Presidente di Alibaba, con Mukesh Ambani magnate indiano del petrolio e Richard Branson fondatore di Virgin.

La società che per prima svilupperà la fusione nucleare finanziariamente sostenibile, non si limiterà a fornire al mondo una nuova fonte di energia pulita, ma si aspetterà anche di farsi i miliardi.

Nel mondo ogni centrale nucleare è basata oggi sulla fissione, innescata bombardando con neutroni ad alta energia un atomo pesante, l'uranio. La scissione di quell’atomo rilascia molta energia, utilizzabile per riscaldare acqua e mettere in moto le turbine a vapore che producono elettricità; la reazione avviata emette neutroni, finché non si arresta il processo.

La fusione è diversa, più complessa. Si tratta di riunire due atomi (deuterio e trizio, isotopi dell'idrogeno). I loro nuclei di carica positiva si respingono naturalmente come i poli uguali di due magnetini. La reazione di fusione deve superare la loro forza di repulsione prima che gli atomi si combinino e formino un atomo di elio, con neutroni e produzione di energia.

Un esempio può chiarire la fusione. Da 1 litro di acqua marina si estraggono a basso costo 33 mg di deuterio, ovvero per avere 1g di deuterio sono necessari 6m³ di acqua; da 5 g di litio, metallo diffuso sulla crosta terrestre, si ottengono 50 mg di trizio; fondendo le suddette quantità di isotopi si produce un’energia pari a quella ottenuta dalla combustione di circa 360 litri di benzina.

Osserviamo le stelle, il Sole ad esempio. È una stella nana-bianca di dimensioni medio-piccole costituita principalmente da idrogeno (2/3 della sua massa) e elio (1/4 della massa). Nel Sole si ha la fusione attraverso la forza di gravità. La massa del Sole fonde idrogeno e elio nel proprio nucleo e fa sì che la materia si compatti finché gli atomi di idrogeno non attivano la fusione e rilasciano energia. L'energia, a sua volta, espelle la materia dal nucleo del Sole, sfera di materia che seguita a irradiare grazie alle migliaia di miliardi di reazioni di fusione che avvengono incessantemente al suo interno.

Sulla Terra, gli scienziati usano altre forme di energia per avvicinare il più possibile gli atomi di idrogeno e fonderli. Ad esempio, il riscaldamento dell'idrogeno gassoso mediante onde radio a bassa frequenza, costringendo gli atomi a viaggiare a incredibili velocità, a scontrarsi e fondersi.

Come controllare l'energia termica immessa nel sistema e misurare la temperatura del gas? Esperimenti dimostrano che la fusione può avvenire oltre 100 milioni di °C, ben superiori a quelli del nucleo del Sole; secondo le attuali teorie, l’idrogeno del nucleo del Sole è a circa 16 milioni °C, con densità del nucleo di circa 150.000 kg/cm³ e pressione di 500 miliardi di atmosfere.

Queste le condizioni naturali e essenziali per una stella. Stelle più grandi del Sole hanno nuclei più densi e caldi. Poiché nessun materiale conosciuto sulla Terra può contenere un gas a temperatura così elevata, nel corso di decenni gli scienziati si sono cimentati a sperimentare e provare per riuscire a contenere gas caldissimi. I due metodi più comuni sono il confinamento magnetico e il confinamento inerziale.

Con il confinamento magnetico, a temperature superiori a 100 milioni di °C, gli atomi vengono privati ​​dei loro elettroni, originando un miscuglio di particelle cariche detto plasma. Sottoponendo il plasma a una energia magnetica molto potente e dirigendola su una traiettoria definita, il moto delle particelle del plasma può essere controllato e contenuto, evitando il contatto con le pareti interne. Energia magnetica che agisce su energia termica.

Il confinamento inerziale consiste nell’attivare sferette di idrogeno congelato (pellet) di raggio 2mm, incapsulate in cilindri d’oro. Riscaldando una sfera con un potentissimi laser, sulla sua superficie si crea un involucro di plasma. Quando il plasma viene espulso, crea forze che comprimono la sfera riscaldandola fino a 100 milioni di °C, produce la fusione dell’idrogeno interno e emette flussi di neutroni ad alta energia, ma con brevissimi tempi di confinamento.

Puntando esclusivamente sul guadagno di energia netta, il miglior progetto di reattore finora ideato è un tokamak (acronimo russo per camera magnetica toroidale).

È una camera a forma di ciambella, chiusa da magneti costituiti da superconduttori (conduttori di elettricità senza perdite), usata per il confinamento magnetico: fondere gli isotopi dell’idrogeno per formare l’elio, in una reazione totalmente autonoma, senza apporto di alcuna energia esterna. Secondo i calcoli, dovrebbe produrre almeno il doppio di energia di fusione rispetto alla quantità necessaria per avviare la reazione.

Da quando la Russia ha costruito il primo tokamak negli anni '60, più di 170 tokamak sono entrati in funzione; nel 1997 hanno raggiunto il massimo guadagno energetico (reattore JET del Regno Unito) pari a 0,67, cioè per ogni unità di energia immessa nel sistema, ha generato 0,67 unità di energia. Non ci siamo. Il progetto è arrestato dovendo raggiungere un guadagno di energia netta almeno superiore a 1,00, dunque è necessario costruire un tokamak molto più grande per aumentare le collisioni tra le particelle di plasma e accrescere quindi la produzione di energia.

Questo è esattamente ciò che sta cercando di ottenere il progetto ITER da $22 miliardi, aumentando il numero di reazioni di fusione e quindi l'energia generata nel reattore.

È recente la sperimentazione di un nuovo tipo di superconduttore che operi a temperature superiori a quelle vicine allo zero assoluto (-273 °C).

Con tali superconduttori cosiddetti ad alta temperatura, un tokamak molto più piccolo potrebbe, secondo la teoria, ottenere lo stesso guadagno di energia netta di ITER e molto più elevato di quello con superconduttori a bassa temperatura. L’obiettivo è creare uno SPARC (SP, smallest possible + ARC, affordable, robust, compact), il reattore più piccolo possibile, conveniente, robusto, compatto.

Il reattore a fusione nucleare di CFS, la startup finanziata da miliardari, ha visto i primi giorni nel 2014 con il progetto di un giovane laureato al MIT. Chiamato ARC dagli studenti, ha un costo stimato di pochi miliardi di dollari, 1/10 di quello di ITER e con prestazioni simili.

Già nel 1993, il MIT aveva gestito un primo reattore tokamak chiamato C-Mod per studiare la fusione a fine sperimentale. Per più di 20 anni, fino al 2016, i finanziamenti del Dipartimento dell'Energia Usa per il reattore a fusione del MIT erano rimasti congelati.

Nel 2018 si è avuto il risveglio e il cambio della guardia, con la nomina di Bob Mumgaard a nuovo CEO di CFS e un rinnovato team si è immerso in un progetto SPARC.

Ha ribadito l’obiettivo: creare il primo reattore a fusione nucleare al mondo del costo di alcune centinaia di milioni di dollari e con guadagno energetico netto positivo. La startup capace di raggiungere l’obiettivo potrebbe a questo punto diventare pubblica o operare con una grande azienda con il know-how per costruire centrali nucleari complete.

È più una sfida ingegneristica che un problema di fisica. Non ci sono ostacoli da superare per la scienza di base e Mumgaard vanta un caso esemplare e convincente: aver raccolto finora $75 milioni, di cui 50 dalla compagnia petrolifera italiana Eni. Oh!... Un’italiana che ci crede e ha capito… con un progetto da $3 miliardi partito ad agosto 2018, per realizzare la prima centrale da 200 milioni di watt elettrici basata su nuove tecnologie. Mumgaard confida con realismo: Avanti nel futuro entro il 2025, la mia società avrà costruito una struttura proof-of-concept che dimostrerà che è possibile un guadagno netto di energia.

Una volta che avrà dimostrato che i superconduttori ad alta temperatura possono fare il loro lavoro su larga scala, il piano di CFS è quello di costruire un reattore a fusione SPARC che immetterà elettricità nella rete, tra meno di 15 anni da oggi.

Guardare le stelle e sognare: progetto, prototipo, test, collaudo e prima installazione.

Tra le circa 20 startup-fusione, solo 3 sono concentrate su un progetto di ARC tokamak,

eppure CFS fa affidamento sul successo dei superconduttori ad alta temperatura, tuttora costosi da produrre e poco studiati.

Mumgaard ha costruito uno dei migliori team di fusione nucleare al mondo e con CFS ha dichiarato: Sono fortemente impegnato con la comunità di fusione e totalmente aperto a critiche e dibattiti del mondo scientifico e finanziario.

(consultazione: vitrociset; s.porciello - micron; sparc - mit; m.russo - wired; nasa abstract service; journal of plasma physics - cambridge university; quartz; r.albanesi - editrice thea; sussidiario.net)