Fusione nucleare: prossima realtà o illusione mediatica?

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La fusione nucleare non è un’opzione energetica. Non vanno date false speranze: è certamente un fenomenale campo di ricerca ma, almeno per questo secolo, non potrà contribuire alla decarbonizzazione e spieghiamo perché. Bisogna puntare sulle soluzioni che già abbiamo.

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Il mondo dei media, siano quelli istituzionali che social, è un mondo assai bizzarro. Sempre più ci capita di leggere fiumi di parole che su un certo tema affermano una tesi e altrettanti che affermano il contrario. Difficile orientarsi, specie per i non specialisti del tema.

Accade anche che certi temi altamente specialistici diventino improvvisamente di tendenza e inneschino un processo di (auto)convinzione di massa.

È il caso della fusione nucleare: molte interviste o servizi giornalistici sull’argomento sono apparse nei media sempre più frequentemente in questi ultimi mesi con la tesi più o meno esplicita che questo filone della ricerca di base possa diventare nel breve-medio termine (15-20 anni al massimo?) una tecnologia applicabile alla produzione di energia elettrica pulita risolvendo così miracolosamente la difficile equazione dello sviluppo sostenibile, sia dal punto di vista ambientale che economico.

Questo articolo, i cui autori vantano un’esperienza quarantennale di alto livello nel campo della fusione e delle energie rinnovabili, ha l’ambizione di fare chiarezza sul tema, nella speranza che non si generi una falsa percezione dello stato reale della ricerca sulla fusione nucleare.

Anticipiamo subito che la nostra tesi, avvalorata dai pareri pressoché unanimi della comunità scientifica è che tutte le attività concernenti la fusione nucleare sono ad oggi di natura squisitamente di ricerca e non rappresentano in alcun modo una possibilità per la produzione di energia elettrica allo stato delle conoscenze attuali: non sappiamo se mai e tanto meno quando tale ricerca potrà sfociare in una applicazione pratica.

Come è possibile allora che la fusione nucleare, dopo 70 anni di esperimenti e ricerche note solo negli ambienti accademici, sia balzata improvvisamente su tutti i media, start-up fiorite dal nulla, con tanto di imbonitori che promettono energia infinita e pulita dietro l’angolo?

Non siamo in grado di dare risposte definitive a questo interrogativo (anche se vi sono evidentemente delle ipotesi plausibili che lasciamo elaborare ai lettori), ma preferiamo fare il punto sullo stato della ricerca che possa avvalorare l’affermazione sopra esposta.

Per semplificare l’esposizione dividiamo il tema in tre grandi fasi che dovranno svilupparsi positivamente e in successione una con l’altra:

  • La fisica, ovvero la piena conoscenza dei processi in regimi di innesco della fusione nucleare.
  • Il controllo della reazione, ovvero le modalità di generare una reazione di fusione costante (stazionaria o impulsata) e controllata.
  • Il reattore, cioè lo sviluppo tecnologico di un oggetto che utilizzi queste reazioni di fusione per produrre energia.

Un caso che tratteremo a parte è quello del progetto ITER che si propone in un unico progetto di ricerca di affrontare i tre temi di cui sopra. Analizziamo più in dettaglio questi temi.

La fisica della fusione

Chiariamo subito che la fusione, ovviamente quella che sta perseguendo la ricerca umana e non quella che avviene spontaneamente nelle stelle né tantomeno quella incontrollata nelle bombe nucleari, non può al momento essere classificata come una fonte di energia perché di fatto il combustibile non esiste ancora.

Quando si parla di fonti di energia, la prima definizione da cui partire è quella appunto del combustibile, cioè della fonte primaria da cui estrarre l’energia. Il petrolio, il carbone, il gas naturale, i cosiddetti combustibili fossili, sono fonti di energia che vengono liberate attraverso il processo della combustione. Non dobbiamo fare grossa fatica per innescarla, anzi, dobbiamo adottare molte precauzioni per contenerla.

Anche il solare e l’eolico sfruttano come “combustibile” le fonti primarie più ampiamente disponibili in natura, ovvero la radiazione solare ed il vento: la tecnologia ci serve solo per estrarre energia in modo efficiente convertendola in calore o, meglio, in energia elettrica. Lo stesso dicasi per la geotermia e l’idroelettrico.

La fissione nucleare è simile alle precedenti: la reazione di fissione dell’Uranio 235 avviene spontaneamente; arricchendo l’uranio naturale (prevalentemente U238) con U235, si ha il combustibile pronto, anzi la reazione diventa incontrollabile ed esplosiva. Quindi tutta la partita della fissione nucleare si svolge solo sul controllo della reazione. Per questo è passato un soffio tra l’accensione della pila nucleare di Fermi a Chicago nel 1943 ed i primi reattori commerciali degli anni ‘50.

La fusione è diversa, perché il combustibile non c’è, nel senso che l’uomo non è ancora riuscito a produrlo. La strada scelta dall’uomo per tendere alla creazione di tale combustibile nucleare è quello del plasma (stato della materia ionizzata) di deuterio (D) e trizio (T), isotopi dell’idrogeno. In 70 anni di ricerca sul confinamento magnetico e 50 su quello inerziale, si sono creati dei plasmi sempre più vicini alle condizioni in cui il plasma possa diventare un combustibile nucleare, ma senza arrivarci ancora.

“Combustibile” significa che si possa innescare una reazione (chimica o fisica) che porti ad un rilascio di energia maggiore di quella utilizzata per innescarla. In questa accezione, il combustibile per la reazione di fusione nucleare, ripetiamo, ancora non esiste.

Esistono plasmi prodotti in grandi e complesse macchine, i Tokamak per esempio ma non solo, sempre più grandi e sempre più caldi, ma che non sono ancora un combustibile nucleare.

Il plasma potrebbe raggiungere l’innesco e, quindi, diventare un combustibile nucleare se ad esempio raggiungesse una temperatura di cento milioni di gradi e, in condizioni di bassa densità (centomila volte più rarefatto dell’aria) e grandi volumi (dimensioni dei metri) fosse tenuto insieme per qualche secondo (confinamento magnetico) oppure se, in condizioni di alta densità (mille volte la densità del solido) e piccoli volumi (dimensioni di centinaia di micron), si tenesse insieme per qualche miliardesimo di secondo (confinamento inerziale).

Un plasma di D-T diventa un “combustibile”, quando le reazioni di fusione tra D e T, che producono un nucleo di elio (particella alfa) e un neutrone, interessano la gran parte del plasma: in queste condizioni le particelle alfa rilasciano la propria energia al plasma stesso e contribuiscono così al suo riscaldamento fino alle temperature medie per le quali queste reazioni di fusione avvengono in gran parte del combustibile (ignizione). In questo caso il combustibile rilascia molta più energia di quanta ne è stata immessa in esso. Il guadagno indica questo bilancio. Idealmente si dovrebbe ottenere un guadagno di circa 50-80 volte.

Come anticipato, ci sono due approcci che si studiano da più di mezzo secolo: il confinamento magnetico e quello inerziale. Le problematiche scientifiche sono totalmente diverse tra loro, mentre quelle ingegneristiche-energetiche sono comuni. Nell’analisi che segue li tratteremo separatamente.

Negli esperimenti di fusione magnetica non si è mai realizzato un plasma ignito, nemmeno per tempi o quantità limitate, e nemmeno il guadagno circa uno (break-even). Ad oggi non c’è nessuna previsione se qualcuno degli esperimenti futuri di fusione magnetica che si stanno costruendo potrà portare ad un plasma ignito.

Consideriamo che i tempi di costruzione delle nuove macchine sono tra i 10 e 15 anni per quelli di media-taglia (ITER escluso). Possiamo quindi dire che un plasma magnetico ignito non è prevedibile e comunque, anche in caso positivo, non prima di 15-20 anni.

Il confinamento inerziale è riuscito a raggiungere il break-even, dimostrando una buona conoscenza dei processi fisici, nello schema indiretto (holraums) che risolve il problema dell’uniformità dell’irraggiamento e dell’instabilità idrodinamica di Rayleigh-Taylor, ma non è estrapolabile ad un reattore.

L’irraggiamento diretto, invece, forse più concepibile per uno sfruttamento energetico, non ha raggiunto anch’esso il primo giro di boa, il break-even.

Tuttavia, è realistico pensare di focalizzare la luce prodotta da un laser grande quanto due campi di calcio (1.6 MJ in pochi nanosecondi) su palline di qualche millimetro di diametro che cadono in una camera da vuoto di decine di metri, con un rateo di circa 10 al secondo? La fisica del confinamento inerziale è bellissima, ma appare ancora più irrealistica pensarla come fonte di energia, vista l’enorme dimensione, complessità e inefficienza del laser da una parte e le dimensioni micrometriche del plasma compresso.

L’estrema complessità dell’intero schema della fusione inerziale può essere facilmente intuita sapendo che dal primo “sparo” record del 2021 sono intercorsi molti mesi di tentativi prima di riuscire a ripeterlo.

Il confinamento inerziale ha il merito di investigare una fisica estremamente interessante, quella della materia ad alta densità (high energy density) sottoposta a pressioni di milioni di atmosfere, come potrebbero essere i nuclei dei pianeti, oppure l’interazione di luce laser a potenze di 1018 W/cm2 o più, di stimolare lo sviluppo di laser molto potenti e con tempi sempre più corti e per finire studiare la materia in condizioni di interesse per armi nucleari.

La difficoltà della fisica è evidente. La storia di questi 70 anni di ricerche sul confinamento magnetico ha insegnato ai fisici che ad ogni aumento della densità di energia, il plasma ha manifestato sempre nuove instabilità. Sono richiesti decenni per studiare una nuova forma di riscaldamento del plasma, oppure decenni per costruire nuove macchine con geometrie e configurazioni più favorevoli per stabilizzarlo.

A causa delle interazioni coulombiane a lungo range, della bassa densità del plasma, dei molti parametri e della presenza di campi magnetici ed elettrici accoppiati alle particelle stesse del plasma, esso mostra la fenomenologia tipica dei sistemi complessi: non linearità, biforcazioni, transizioni di fase spontanee, turbolenza, self-organization, forte accoppiamento tra tutti i parametri, non-località, accoppiamenti non lineari onde-particelle e così via.

La conseguenza più importante è la non-prevedibilità dei nuovi regimi, soprattutto se si aumenta l’energia immessa nel plasma, aggravata dal fatto che il cambiamento di un parametro provoca un cambiamento di tutti gli altri.

L’unico dato positivo, a fronte delle tante amare sorprese che il plasma ha regalato ai fisici nel corso dei decenni, è che le performance del plasma (per esempio il tempo di confinamento dell’energia e delle particelle), aumenta con le dimensioni del plasma.

Questo però è un guaio anche maggiore, perché costruire una macchina grande richiede molti anni (o meglio decenni) e costi esorbitanti. Le prossime macchine in costruzione potrebbero affacciarsi a questi nuovi regimi verso l’ignizione, ma non possiamo prevedere la dinamica delle particelle alfa e le eventuali instabilità che potrebbero crearsi.

Abbiamo vari approcci magnetici: il tokamak a campo magnetico medio (3-5 T) quelli ad alto campo (8-12 T) o quelli sferici (1-2 T), e lo stellarator. Ognuno ha dei vantaggi e dei limiti, che qui non possiamo discutere per brevità. Tra i vari approcci magnetici, il tokamak è quello più avanzato e che mostra il migliore confinamento.

Il controllo della reazione

Nonostante quanto detto, ipotizziamo con molto ottimismo che si possa dimostrare la fattibilità scientifica di un plasma ignito nei prossimi 20 anni.

Successivamente si dovrà arrivare ad uno stato stazionario (per il confinamento magnetico) o una efficiente ripetitività ad alta frequenza delle implosioni laser (confinamento inerziale), al fine di poter pensare ad un processo di produzione di energia costante nel tempo.

Nel confinamento magnetico si deve rifornire il plasma in modo continuo di nuovo combustibile ed eliminare le sue “ceneri” (per esempio le particelle alfa o le impurità). A questo si deve aggiungere la produzione di trizio, che non esiste in natura.  In particolare si deve realizzare un mantello esterno che contenga litio in modo che i neutroni, con una reazione nucleare con il litio, producano trizio, il quale, deve essere raccolto e immesso di nuovo nel plasma.

Tutto questo richiede una complessità ingegneristica enorme, soprattutto perché deve integrarsi con una camera da vuoto e, nel caso del confinamento magnetico, integrandosi anche con enormi bobine superconduttrici (a temperature dell’elio liquido di circa -270 gradi Celsius) per il campo magnetico toroidale e quelli poloidali per lo shaping del plasma, che avvolgono interamente la camera da vuoto.

Si tratta di sfide ingegneristiche immani per le quali, nelle migliori delle ipotesi ci vorranno decenni.

Il reattore

Una volta raggiunti gli obiettivi precedenti occorrerà pensare a come realizzare il reattore vero e proprio, ovvero l’oggetto in grado di raccogliere l’energia sviluppata dalla fusione e trasformarla in energia elettrica.

Come prima cosa si dovranno sviluppare dei materiali, che al momento non esistono, tali da resistere al carico termico prodotto dalla potenza ceduta dal plasma e al carico neutronico. Si dovrà poi realizzare opportunamente un mantello che assorba l’energia dei neutroni e la trasformi in calore, per poi essere ceduto ad un fluido refrigerante. Lo stesso mantello avrà anche il compito di contenere il litio per generare il trizio.

Infine, si dovrà verificare che le efficienze di tutti i sistemi necessari al funzionamento del futuristico reattore siano così elevate da essere ampiamente compensate dal guadagno del combustibile nucleare, obiettivo da cui oggi siamo lontanissimi.

Potremmo quindi essere arrivati, forse a fine di questo secolo e aver dimostrato la fattibilità tecnologica, ma non la convenienza energetica. Ci si dovrà poi porre il problema di natura finanziaria dell’ingente costo di tale reattore, delle competenze che richiede per essere costruito ed esercito e della maturità sociale nel realizzare questi impianti ciclopici.

Il caso del progetto ITER

Discorso a parte merita il progetto ITER, principale iniziativa congiunta mondiale nell’ambito della fusione a confinamento magnetico. Esso ha l’ambizione di integrare insieme tutti e tre i filoni di ricerca: fisica, controllo e fattibilità reattoristica.

Il prezzo che paga, oltre ad una dimensione e complessità mai affrontata dal genere umano in nessuna delle sue imprese, è che impiegherà circa 30 anni per la sua costruzione completa, circa 20 per la messa a punto (non si dispongono ancora dei sistemi di riscaldamento opportuni) e circa 20-30 anni per il pieno sfruttamento scientifico, dal momento che gli scenari di plasma che si vogliono realizzare non sono noti. In pratica si andrà a finire alla fine del secolo, ammesso poi che abbia successo.

In questo contesto non si comprende come approcci alternativi, di piccola taglia, che possono essere interessanti schemi alternativi di ricerca, possano essere spacciati per prototipi di reattore.

Alcuni di essi, per esempio gli Z-pinch, furono studiati e abbandonati negli anni ’60 perché le configurazioni aperte di plasma erano troppo inefficienti. Anche se questi plasmi diventassero “combustibili” efficienti, tutti i problemi di rimozione dell’energia, di produzione del trizio e dei materiali rimangono.

Le alternative già pronte

La fusione nucleare è un fenomenale campo di ricerca per la fisica, uno stimolo per lo sviluppo di strumentazione diagnostica avanzata, di nuovi materiali e di nuove soluzioni ingegneristiche e reattoristiche, ma molto difficilmente un’opzione per la produzione di energia, almeno per questo secolo.

Come abbiamo visto essa richiederà ancora molti decenni per poter eventualmente dimostrare la sua applicabilità al mondo della produzione di energia e il giorno che sarà in grado di farlo occorreranno ancora ulteriori decenni per industrializzare il processo.

I problemi del nostro Pianeta richiedono soluzioni tempestive per contrastare il cambiamento climatico e i suoi effetti nonché per soddisfare la crescente fame di energia, e in parte è già tardi. La buona notizia è che tali soluzioni sono ampiamente disponibili e competitive.

Si chiamano sole e vento affiancate dal tradizionale idroelettrico, si chiamano elettrificazione degli usi finali dell’energia, si chiamano reti elettriche digitalizzate di nuova generazione, in grado di gestire fonti di produzione variabile e distribuite attraverso anche i sistemi di accumulo.

Questi ultimi in particolare, grazie anche alla sinergia con il mercato della mobilità, sono nella fase esponenziale di maturazione tecnologica e di riduzione dei costi, offrendo una soluzione a basso costo alle crescenti esigenze di flessibilità del sistema elettrico.

Non è questo il contesto per argomentare queste affermazioni o per convincere gli scettici e i male informati, ma qualche dato oggettivo fra i tanti disponibili può aiutare meglio di tante parole:

  • Il costo medio di un chilowattora di energia elettrica prodotta attraverso l’eolico o il fotovoltaico (LCOE) è già oggi ampiamente più competitivo di qualsiasi altra tecnologia in buona parte del Pianeta, anche in assenza di incentivi. Dopo un parziale rialzo nel periodo 2020-2022, questo costo ha ripreso la discesa inarrestabile che prosegue da tanti anni e della quale non è prevedibile a breve una inversione di tendenza (IEA, WEO 2023 e Lazard, Lcoe+);
  • Gli impianti rinnovabili crescono in tutto il mondo a tassi di crescita ben superiori a quelli degli impianti fossili o nucleari. In un solo anno, dal 2022 al 2023, l’energia prodotta da fonte solare ed eolica è cresciuta del 13,4% e le rinnovabili in generale hanno soddisfatto il 30% del fabbisogno elettrico mondiale rispetto ad un 19% dell’anno 2000 (EMBER, Global Electricity Review 2024);
  • Nel lungo termine, ci sono risorse sufficienti di tutte le materie prime (e di superficie terrestre e acqua) per sostenere la transizione energetica e in quei casi in cui le “riserve” attualmente valutate sono inferiori alla potenziale domanda cumulativa, in particolare rame e nichel, l’espansione delle riserve può e sarà raggiunta (IRENA, Material and Resource Requirements for the Energy Transition);
  • L’obiettivo dell’accordo di Parigi di limitare sotto i 1,5-2 °C la sovratemperatura media rispetto all’era preindustriale è ancora raggiungibile, ma la finestra d’azione è limitatissima, bisogna agire decisamente e da ora (IEA WEO 2023). Ed è per questo motivo che nella COP28 del dicembre scorso i Paesi partecipanti si sono impegnati, fra le altre cose, a triplicare la capacità rinnovabile entro il 2030.

Dobbiamo credere in queste soluzioni a portata di mano oggi per il futuro dei nostri figli e nipoti. Solo se attraverso di esse garantiremo un futuro sostenibile, daremo loro la possibilità di esplorare e magari dimostrare cosa la fusione nucleare potrà dare.

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