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L’Italia e la fusione nucleare

di Vincenzo Rampolla

L’Italia è tra i pionieri della ricerca sulla fusione nucleare. Le attività, avviate già a fine anni ‘50 nel Centro di Frascati, erano inizialmente dedicate alla sperimentazione sui plasmi e si sono poi estese a ricerche di fisica, tecnologia e ingegneria con l’intervento di ENEA Agenzia Nazionale per le nuove tecnologie, l'Energia e lo sviluppo sostenibile, protagonista e coordinatrice del programma nazionale. Con un budget annuale di €60 M, ENEA impegna un esercito di circa 2.300 dipendenti, oltre a 600 ricercatori e tecnologi CNR, Consorzio RFX, Università e Consorzi per consolidare a livello mondiale esperienze di assoluto rilievo. Sono coinvolti i Paesi dell’UE, Svizzera, Gran Bretagna e Ucraina e vengono estese collaborazioni internazionali a fisici e ingegneri di EUROfusion, Consorzio di 30 Aziende e Centri di Ricerca. 

In ENEA la ricerca sulla fusione si concentra sul confinamento magnetico, con attivitá sulla fisica dei plasmi e su tecnologie dei reattori, svolte nel quadro del programma Euratom per la fusione.

Nei test sul confinamento magnetico, ENEA conduce esperimenti con il Frascati Tokamak Upgrade (FTU), un impianto che consente di studiare plasmi a campi magnetici elevati e ad alta densità: FTU è la macchina per la fusione operante alla massima intensità di campo magnetico       (8 T). Il campo magnetico terrestre, ad esempio, ha un’intensità di 25-65 μT (microTesla).

Un passo indietro è d’obbligo. Cos’è il plasma, che cosa sono i campi magnetici e il confinamento?

La fusione nucleare è il processo che avviene quando due nuclei atomici si combinano per formare un nuovo atomo, più grande e più pesante, di massa minore rispetto alla somma degli atomi di partenza, differenza che si trasforma in energia (secondo l’E=mc² di Einstein). La fusione nucleare avviene in natura, nelle stelle: producono energia, fondendo i nuclei di H₂ per formare atomi di Elio. Problema: i nuclei degli atomi sono composti di protoni e neutroni, particelle rispettivamente di carica positiva e senza carica. Quelle con la stessa carica si respingono e per fondersi devono vincere la forza repulsiva. Nelle stelle il processo è automatico, grazie alla loro enorme massa che genera potentissime forze gravitazionali capaci di esercitare pressioni estreme sui nuclei atomici, e per la loro altissima temperatura.

E la fusione sulla Terra? Per fondere i nuclei atomici si deve replicare una stella in laboratorio, riprodurre il plasma, la materia caratteristica delle reazioni di fusione nucleare, gas caldissimo e elettricamente carico, composto di particelle che vi si muovono liberamente. È molto difficile da produrre e controllare in laboratorio, va scaldato ad altissime temperature ed è soggetto a instabilità, si raffredda e si disgrega facilmente e rapidamente. Come ottenere  allora la fusione? Con il confinamento magnetico, usando dei magneti e riscaldando con microonde, onde radio e fasci di particelle. I reattori che usano questo metodo sono i tokamak, ciambelle inventate in Unione Sovietica, anni ‘50. Jet, in particolare, è l’unico tokamak al mondo in grado di operare con una miscela di combustibile detta Dte3, composta da 2 isotopi dell’idrogeno, il deuterio e il trizio, in un sistema in grado di avviare la reazione e di produrre e distribuire energia elettrica.

Tutto chiaro? Procediamo. La ricerca sulla fusione ha impegnato Europa, Giappone, USA, Russia, Cina, Corea e India  in un programma per realizzare il reattore a fusione sperimentale ITER, capace di produrre 500 MW di potenza di fusione per un tempo di 400 s, con un guadagno di potenza di un fattore 10. La costruzione di ITER, risale al 2007 a Cadarache (F), rappresenta una pietra miliare nello sviluppo dell’energia da fusione e determina una forte accelerazione del programma operativo: realizzare un reattore DEMO, dedicato a un primo livello di sperimentazione.

Grazie al coinvolgimento nel programma di ricerca sulla fusione, l’industria italiana si è aggiudicata le maggiori commesse per la costruzione dei componenti che costituiscono il cuore di ITER: i cavi superconduttori, la quota europea dei magneti superconduttori (9 bobine su un totale di 18) e della camera a vuoto (7 settori su 9) oltre ad altre commesse per un totale di €500 M.

Per definire i parametri di DEMO, l’UE ha definito un programma di accompagnamento a ITER siglando con il Giappone l’accordo bilaterale di collaborazione Broader Approach, per lo sviluppo dell’energia da fusione. ENEA contribuisce alla realizzazione dei magneti superconduttori, del sistema di alimentazioni elettriche del tokamak JT60-SA, satellite di ITER, del bersaglio in litio della sorgente di neutroni International Fusion Material Irradiation Facility (IFMIF) e della realizzazione del Centro internazionale di ricerca sulla fusione (IFERC). L’impegno complessivo per queste attività è di €50 M.

Il programma per lo sviluppo della fusione nucleare elaborato per i prossimi anni è legato alla realizzazione del DTT (Divertor Tokamak Test), infrastruttura di importanza strategica e alla collaborazione con 15 Università, Enti di ricerca Italiani e Consorzio EUROfusion.

Obiettivo: gestire l’enorme flusso di calore trasmesso dalle particelle cariche del plasma sulle pareti del reattore. Per funzionare, nel cuore del reattore il plasma non deve toccare le superfici e il suo confinamento (lontano dalle pareti) viene canalizzato da un potentissimo campo magnetico che crea barriere magnetiche chiuse e concentriche, mentre sulla periferia un sottile campo magnetico (alcuni mm) dirige particelle e calore sul Divertore, meccanismo creato per sostenere la loro potenza.

Risultato? Il calore lanciato sul Divertore è 10MWatt/m², pari a quello della superficie del Sole. Le soluzioni offerte dall’attuale tecnologia non possono arrivare a tali livelli di potenza specifica, per questo il DTT deve perfezionarsi testando nuove configurazioni e materiali per ottimizzare la struttura delle linee di campo vicino alle superfici di assorbimento del calore.

Il 21 dicembre 2021, durante un test (JET ) di fusione nucleare a Oxford, presso la UK Atomic Energy Authority (UKAEA), il tokamak ha prodotto 59 MJoule di energia, un record assoluto, portando il plasma alla temperatura di circa 150 M°C, 10 volte superiore di quella del centro del Sole e mantenendolo stabile per 5 secondi, il che equivale a una potenza di circa 11 MWatt. Il gruppo che ha operato era composto da fisici e ingegneri del Consorzio EUROfusion.

Quanta energia è 59 MJoule?  Più o meno 16 KWh (1MJoule = 0,28 KWh), l’energia consumata da un’auto elettrica per fare 100 km, mentre durante una partita, uno stadio assorbe circa 25.000 KWh e ancora: una famiglia italiana consuma in media all’anno poco più di 2.000 KWh. Un ultimo confronto: l’energia prodotta dall’esperimento JET è quella consumata per  sostenere l’intero pianeta e fornita, per il 2020, dall’U.S. Energy Information Administration: circa 27M di GWh di energia nel mondo, più di 1.000 Mld di volte l’energia dell'esperimento JET. Di questi, circa 21M provenienti dai combustibili fossili, poco più di 3M dalle rinnovabili e 2M dal nucleare elettrico a fissione. È il primo vagito della fusione nucleare, una quantità infinitesima di energia, ridicola all’apparenza.

Chiariamo l’esperimento. La realtà è ben diversa. F.Gnesotto, Presidente del Consorzio RFX e un articolo su Nature urbi et orbi hanno confermato: Il risultato è di ottimo auspicio per ITER, il successore di JET, che entrerà in funzione tra pochi anni. Finora nessun esperimento aveva generato più energia di quanta ne avesse consumata. Il progetto ITER, da $22 Mld, potrà raggiungere i livelli richiesti, aumentando la superficie magnetica del tokamak rispetto a JET.

Su questo resta da verificare come gestire il calore di scarico del reattore e quindi quale sia l’architettura ottimale. Si osserva che i primi test di ITER sono avvenuti nel 2025 e che la fusione nucleare con trizio e deuterio non sarà operativa prima del 2035, solo dopo la decarbonizzazione.

D.Farina, Direttrice dell’Istituto Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP) del CNR, ha aggiunto: Si tratta di un importantissimo risultato sul piano scientifico e tecnologico, frutto di un programma condotto dall’intera comunità scientifica europea. Dimostra per la prima volta che siamo in grado di produrre e mantenere reazioni di fusione con lo stesso combustibile, usando solo 0,2 mg di combustibile (miscela deuterio-trizio ) nelle stesse condizioni dei reattori a fusione futuri.

(consultazione:   enea. agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile; frascati tokamak upgrade - centro enea)