Il futuro è la fusione nucleare

Umberto Minopoli

Per anni, finché era solo un’ipotesi teorica, la fusione nucleare è stata un intellectual dream ambientalista: l’utopia di una fonte di energia pulita e sicura, senza scorie e disponibile in quantità illimitata. Cosa di meglio da opporre, declamavano gli ecologisti ufficiali, al mostro della fissione nucleare, la tecnologia delle centrali nucleari esistenti? Oggi il dream sta per diventare realtà sperimentale. A Cadarache, nel sud francese, il consorzio internazionale Iter, una joint di tutti i maggiori paesi industrializzati (Europa, Stati Uniti, Russia, Cina, Giappone, India e Corea del sud) ha iniziato la fase avanzata di costruzione dell’impianto sperimentale di fusione. A una potenza di 500 mw, esso dovrà provare (2025) la fattibilità della fusione e procedere al successivo impianto, il dimostratore Demo che genererà la prima energia elettrica da fusione. In tutto il mondo sono attive macchine di sperimentazione di test e prove di fusione che serviranno a Iter per affinare la fisica del futuro reattore, per raccogliere dati e decidere le scelte finali, costruttive e ingegneristiche, dell’impianto. Nell’orizzonte di una generazione la prospettiva di una nuova fonte di energia nucleare, cheap, intrinsecamente sicura e a rilascio ambientale zero, diventerà realtà. Una fortunata congiuntura, non casuale vista la storia della fisica nucleare italiana, la credibilità dei nostri centri di ricerca pubblici (Enea, Cnr e università) e dell’industria impiantistica ed energetica nazionale, ha consentito all’Italia di ottenere la localizzazione del più importante e significativo dei laboratori di test e centri di ricerca che dovranno sostenere Iter nella fattibilità della fusione. Si chiama Dtt (Divertor Tokamak Test). Tra pochi giorni partirà la gara tra le regioni per la localizzazione dell’impianto: 500 milioni di investimento (cofinanziati dalle istituzioni europee), 7 anni di costruzione, lavoro a 1.600 persone e ricadute sull’economia del territorio che lo ospiterà di 2.000 milioni di euro. Dtt posizionerà l’Italia ai vertici della realizzazione della fusione e dello sfruttamento futuro di questa fonte di energia. Tutto accattivante e pagante per il paese. Troppo, forse, per non suscitare il ripensamento dei Verdi sulla fusione nucleare. E suggestioni di un’ennesima campagna nimby. Stavolta contro l’investimento nella tecnologia più promettente del secolo. Tanto è bastato perché “Nuova Ecologia”, la rivista ufficiale dell’ambientalismo militante, aprisse ufficialmente la campagna contro il Dtt e annunciasse il voltafaccia sulla fusione nucleare, definita ora inutile, tardiva e, ovviamente, “niente affatto pulita”.

 

Basterà un solo kg di gas di isotopi di idrogeno per produrre l'equivalente di migliaia di tonnellate di carbone, gas naturale, petrolio

L’argomentazione “verde” fa leva su un dichiarato pessimismo: “la fusione nucleare, sostengono, è in ritardo sui tempi previsti. E’ sopravanzata da nuove tecnologie (quali?). Il primo Kw arriverà solo nel 2050. Troppo tardi per sostituire, secondo gli accordi sul clima, i combustibili fossili. L’investimento nella fusione, continua la rivista, “drenerà risorse alle urgenze vere, incentivare le tecnologie rinnovabili”. Troppe bugie in poche frasi. Intanto: i tempi previsti del primo Kw da fusione non sono mai, sostanzialmente, cambiati. Il 2050 per la prospettiva di una sorgente di energia illimitata è in termini di pianificazione energetica perfettamente in linea con le esigenze. Nel 2050, le previsioni ufficiali indicano il marcato declino delle fonti fossili, il netto aumento della domanda di energia e l’insufficiente copertura dei consumi attraverso le rinnovabili. La decarbonizzazione come totale sostituzione delle fonti fossili comincia ad apparire non solo terribilmente costosa ma, soprattutto, infattibile. Persino negli scenari “militanti”, avventurosi e azzardati, della letteratura verde. Greenpeace presume, al 2050, una penetrazione delle energie rinnovabili all’80 per cento del consumo energetico globale. Intanto: non c’è totale sostituibilità delle fonti fossili. E c’è un non detto. La plausibilità dei numeri di Greenpeace sconta tre condizioni implicite: il contenimento dei consumi di energia ai livelli attuali (una catastrofe per i poveri del mondo e per i paesi in sviluppo); il mantenimento del contributo attuale dell’energia nucleare da fissione (17 per cento); una decrescita del Pil. Le fonti rinnovabili, si conferma, non sono sostitutive delle fonti convenzionali. La prospettiva di un contenimento dei consumi e di un freno allo sviluppo, nella visione dei Verdi, fa assumere al 2050 i caratteri di una deadline avvilente e sconfortante. Ancor più se ci si arriva senza la prospettiva, per la seconda parte del secolo, di una nuova fonte di energia, veramente sostitutiva di quelle convenzionali. Un mondo lento e al buio.

 

Per fortuna c’è la fusione nucleare. A che punto è? Nel 2025 l’impianto Iter di Cadarache avvierà l’ignizione del primo plasma, il fluido di atomi di idrogeno ionizzato che è il motore della fusione. L’obiettivo è raggiungere una reazione di fusione stabile, a una potenza di 500 mw, che duri più di 60 minuti e che sia esotermica: rilasci, cioè, più energia di quanta ne occorre per produrre il plasma e farlo autoalimentare. Le prove a Cadarache dureranno 10 anni. Nel 2035 si passerà al prototipo Demo che testerà la generazione di energia elettrica in rete. Energia pulita per definizione. Cos’è, in buona sostanza, la fusione nucleare? Niente di più, come in ogni centrale di generazione, che produzione di calore (da un fluido caldo) che, trasformato in vapore, alimenta una turbina e converte energia cinetica in elettricità. Banale. Solo che, nella fusione, il meccanismo di produzione del calore cambia. E riproduce quello, efficiente e copioso, del motore delle stelle: la fusione di due nuclei leggeri di idrogeno (il primo elemento della tavola atomica) che produce elio (il secondo elemento della tavola atomica, un gas inerte e innocuo) e rilascia un quantitativo libero di energia (sotto forma di neutroni veloci ed energia termica). Cosa ha in più un reattore di fusione rispetto a ogni altro reattore termico, a combustibili fossili o nucleare di fissione? L’enorme efficienza.

 

La reazione di fusione di due nuclei leggeri di idrogeno, sotto forma dei due isotopi di esso, deuterio e trizio, libera circa l’80 per cento dell’energia contenuta nei due nuclei originari (energia di legame). Si tratta di una quantità di energia enorme se paragonata a quella rilasciata dalle reazioni atomiche (ogni energia è atomica) nei processi chimici di combustione (gas, carbone, olio) o dalla fissione dell’uranio (centrali nucleari tradizionali). In queste ultime, ad esempio, che pure rilasciano energia in quantità imparagonabile ai processi combustivi convenzionali (centrali fossili) la reazione di fissione rilascia appena l’1 per cento dell’energia di legame degli atomi di uranio. Nulla paragonato all’80 per cento della reazione di fusione degli isotopi di idrogeno. Di qui il miraggio della fusione nucleare: ancor più che nella fissione nucleare, una minuscola quantità di materia libera un immenso contenuto di energia. Basterà un solo chilogrammo di gas di isotopi di idrogeno per produrre l’equivalente di migliaia e migliaia di tonnellate di carbone, di gas naturale, di petrolio. Efficienza immensa in termini energetici. E combustibile disponibile in quantità illimitate: il deuterio è nell’acqua degli oceani, il trizio si ricava dal litio, elemento diffusissimo nella crosta terrestre. E senza prodotti di scarto. A differenza delle centrali termiche convenzionali una centrale a fusione non ha emissioni inquinanti. Nel reattore a fusione non reagisce altro che idrogeno, l’elemento più semplice in natura. E le cui reazioni energetiche, non essendoci in gioco composti chimici, come idrocarburi, carbone, o elementi pesanti come l’uranio, non producono scarti, prodotti tossici, scorie radioattive o altri composti. L’elio, il solo prodotto della fusione, è un gas leggero, inerte e innocuo. La radioattività, in una centrale a fusione, è limitata al trattamento, già in operazione, dei materiali del reattore attivati dal flusso neutronico e allo stoccaggio del trizio (che decade con un tempo di 12 anni): un’operazione, questa riguardante gli isotopi radioattivi leggeri, che è oggi comune a ogni ospedale o servizio che utilizza isotopi per diagnosi e cura. Infine, le reazioni nucleari di fusione non funzionano a catena come quelle di fissione: se non è alimentato il flusso del plasma, si blocca. Basta staccare la corrente. Si realizza il principio della sicurezza intrinseca e passiva.

 

E' ormai acclarato: le fonti rinnovabili non sono sostitutive delle fonti convenzionali. Le stime di Greenpeace sono implausibili

I problemi che la fusione deve risolvere non riguardano, dunque, pulizia e sicurezza. Ma residui dilemmi fisici, meccanici e di ingegneria. E, fondamentalmente, uno: la gestione delle enormi temperature che si raggiungeranno nel plasma. Su questo si concentrerà l’attività dell’impianto italiano. Il problema principale è l’impatto del calore sui materiali del reattore. Nel reattore solare la fusione nucleare è il concorso di quattro fattori: l’immensa gravità, la temperatura e il tempo (probabilità) a disposizione per le reazioni. Il motore stellare impiega, infatti, un tempo enorme per ogni singola fusione. Il Sole vivrà 10 miliardi di anni, prima di esaurirsi, proprio per la lentezza con cui brucia i nuclei atomici di cui dispone. Potendo contare sul tempo, sulla gravità che schiaccia e avvicina i nuclei, sulla energia cinetica che porta i nuclei a toccarsi vincendo la repulsione elettrostatica, il Sole ha bisogno di una temperatura di “soli” 15 milioni di gradi per la fusione. Ma sulla Terra? Il reattore terrestre non avrà’ a disposizione la stessa gravità, pressione e tempo di una stella. Dovrà contare, per avere reazioni di fusione, su un solo fattore producibile artificialmente: la temperatura. I calcoli dicono che occorrerà, nel reattore terrestre, raggiungere i 100 milioni di gradi, una temperatura sei volte superiore a quella del centro del sole. Nessuno spavento. Si intende la temperatura locale del plasma e quella delle particelle puntuali che devono reagire tra loro. La fisica insegna sul come ingabbiare, isolare e contenere, in modo inesorabile, il plasma caldo, la ciambella di fluido di idrogeno ionizzato (atomi dissociati in nuclei ed elettroni) in cui avverranno le fusioni.

 

Nei reattori tokamak (il nome russo della tecnologia prescelta per Iter e Dtt) il plasma caldissimo fluisce racchiuso entro un contenitore toroidale (a forma di ciambella), avvolto, imprigionato e irregimentato da campi magnetici (come quelli che guidano i fasci di particelle ad alte temperature che corrono nei grandi acceleratori, come l’Lhc del Cern di Ginevra). Una tecnologia, tra l’altro, in cui l’industria italiana primeggia. L’impianto Dtt, cui si candida l’Italia, dovrà testare questo fattore decisivo: la capacità delle pareti della macchina di fusione di sopportare gli enormi carichi elettrici e termici. A partire dal divertore, il componente in tungsteno a diretto contatto con il plasma nel reattore. Non esistono attualmente materiali testati alle temperature del plasma di fusione. Immaginiamo le incredibili ricadute industriali (paragonabili a quelle derivate, ad esempio, dall’avventura lunare dei programmi Apollo alla fine degli anni 60 o dell’industria dei semiconduttori, dei compositi e delle nuove plastiche). Ogni vera rivoluzione tecnologica e dei consumi è segnata, innanzitutto, dall’innovazione di nuovi materiali. La fusione nucleare non è solo una innovazione radicale in campo energetico. E’ una rivoluzione che pervaderà l’intero spettro degli utilizzi tecnologici di nuovi materiali. Sarebbe davvero mortificante e delittuoso lasciarsi scappare, per il consueto e provinciale nimby, questa enorme opportunità.

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