Gli esperimenti sulla fusione, la scommessa di Eni e il sogno dell’energia pulita inesauribile

fusione nucleare
Una squadra di ingegneri al lavoro sul magnete superconduttore per fusione più potente al mondo, realizzato da Commonwealth Fusion Systems e dal Plasma Science and Fusion Center del Mit (foto Gretchen Ertl, Cfs/Mit-Psfc)
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Christopher Lloyd la usava per viaggiare nel tempo con la sua DeLorean nel secondo e nel terzo episodio di Ritorno al Futuro, Matthew McConaughey per andare in cerca di pianeti abitabili fuori dal sistema solare in Interstellar. Nel mondo reale, però, l’energia da fusione – la reazione che alimenta il sole e le altre stelle – non ha ancora raggiunto la maturità necessaria per il suo utilizzo. Anche se gli scienziati hanno piani ambiziosi: vogliono farne una fonte di energia pulita e pressoché inesauribile.

Un passo avanti è arrivato pochi giorni fa. Al Lawrence Livermore National Lab (Llnl), in California, per la prima volta gli scienziati sono riusciti a raggiungere l’energia netta di plasma, ovvero a produrre più energia di quanta se ne consuma per raggiungere le condizioni di fusione. L’esperimento è stato condotto con un sistema che i fisici chiamano ‘inerziale’. 192 laser ad altissima potenza hanno concentrato i loro fasci su una cavità rivestita in oro che conteneva una capsula cava. Al suo interno era posto un pellet di deuterio e trizio che, sotto l’azione combinata di un effetto di emissione di raggi X (derivanti dai laser) e implosione del plasma, è giunto alle condizioni di fusione. L’esperimento ha prodotto 3,15 megajoule (MJ) di energia di fusione, a fronte di 2,05 MJ di energia laser erogata al target.

Il successo è importante, ma solo quando il bilancio energetico complessivo della macchina sarà positivo la tecnologia potrà essere trasformata da esperimento di laboratorio a dispositivo per la produzione di energia. Il risultato rappresenta un primo passo verso lo sviluppo della tecnologia a fusione di tipo inerziale. Esiste però un’altra tecnologia considerata più matura per un’industrializzazione in tempi brevi: quella a confinamento magnetico.

Le ricerche durano dagli anni ’50. Di recente è arrivata una svolta che, secondo gli esperti, potrebbe essere decisiva: a scommettere sulla fusione non sono più solo governi nazionali e consorzi internazionali, ma anche grandi aziende e imprenditori. Tra il 1992 e il 2020, 22 società hanno investito nella fusione. La canadese General Fusion, per esempio, ha ricevuto finanziamenti anche da Jeff Bezos, il fondatore di Amazon. L’americana Commonwealth Fusion Systems (Cfs) ha come azionista strategico una delle principali aziende italiane, Eni, ed è sostenuta, tra gli altri, da Bill Gates e da Google. In particolare, Eni ha investito in Cfs sin dalla sua fondazione, nel 2018, e ha partecipato poi, tre anni più tardi a un round di finanziamento da 1,8 miliardi di dollari.

Che cos’è l’energia da fusione

L’energia da fusione è una reazione fisica in cui due atomi leggeri si uniscono per formarne uno più pesante e liberare energia. Il contrario, insomma, della fissione, su cui si fondano i reattori nucleari di oggi. La fusione, in natura, avviene nel nucleo delle stelle, a una temperatura di circa quindici milioni di gradi, che porta gli atomi allo stato di plasma – il quarto stato della materia – e in presenza di forze gravitazionali così elevate da vincere la repulsione tra i nuclei. L’obiettivo delle ricerche e delle sperimentazioni in corso è quello di arrivare a costruire centrali elettriche alimentate da reattori a fusione per contribuire, assieme alla produzione di energia da fonti rinnovabili, a un mix energetico decarbonizzato.

Per replicare la fusione sulla Terra, in assenza delle enormi forze gravitazionali presenti nel nucleo delle stelle, occorre portare gli atomi a temperature elevatissime: oltre 100 milioni di gradi, cioè quasi dieci volte quelle del nucleo del sole. La vera sfida, però, non è quella di ottenere la fusione: il primo esperimento in laboratorio risale agli anni ‘30. Il problema, semmai, è raggiungere la cosiddetta ‘energia netta positiva’, cioè realizzare un impianto che produca più energia di quella necessaria per accenderlo e mantenerlo acceso.

Il tokamak

Il modello di reattore a fusione su cui più gli scienziati si sono concentrati fino a oggi si chiama tokamak: un acronimo russo che sta per ‘camera toroidale con spire magnetiche’. Si tratta di un dispositivo basato sul principio del confinamento magnetico: ha la forma di una ciambella in cui, attraverso un potente campo magnetico generato da magneti superconduttori, il plasma ad altissima temperatura viene generato e fatto orbitare vorticosamente nel vuoto, senza permettergli di entrare in contatto con le pareti.

Il funzionamento dell’impianto si basa sulla fusione di atomi leggeri, come il deuterio e trizio – due isotopi dell’idrogeno -, che si uniscono per formare atomi di elio e liberare energia. In particolare, nel processo si riscalda una miscela dei due isotopi in diversi modi, incluso lo stesso elettromagnetismo, fino a portarla prima allo stadio di plasma, poi alla fusione. Il processo libera neutroni molto energetici, che vengono assorbiti in un blanket: un rivestimento che circonda la camera di fusione.

In un futuro impianto industriale, l’interazione tra i neutroni e i metalli che costituiscono il blanket produrrà calore, che potrà essere utilizzato per generare vapore in un circuito simile a quello delle attuali centrali termoelettriche. Il vapore muoverà una turbina che, a sua volta, potrà generare energia elettrica da immettere in rete.

I vantaggi della fusione

Uno dei vantaggi dell’energia da fusione è l’abbondanza di materie prime per il ‘combustibile’ associato al processo. Per esempio, il deuterio è ricavabile dall’acqua di mare, il trizio da una reazione di processo con il litio. La disponibilità di questa forma di energia, quindi, non dipende dalle condizioni atmosferiche, a differenza di altre fonti di energia rinnovabili intermittenti come il vento e il sole. Un solo grammo di questi isotopi, secondo stime dell’Institute of Electrical and Electronics Engineers, genera la stessa quantità di energia di 11 tonnellate di carbone.

Il processo di fusione, inoltre, non emette gas serra. A differenza della fissione, non produce rifiuti radioattivi a lunga vita (centinaia di migliaia di anni). La produzione di materiale attivato si limita a porzioni interne del tokamak, che possono essere sostituite in sicurezza con metodi robotizzati (già in fase di sperimentazione), conservate in loco per poche decine di anni, fino al loro decadimento, e poi riciclate. Si può dire anche che la stessa difficoltà di innescare il processo ne garantisca la sicurezza: la reazione, non appena una delle condizioni necessarie viene meno, si estingue da sola e l’impianto si spegne.

Il progetto Iter

Progetti sperimentali per l’energia da fusione esistono già. Il più grande al mondo si chiama Iter, acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, ed è portato avanti da un consorzio composto da Unione Europea, Gran Bretagna, Russia, Cina, Giappone, Stati Uniti, India e Corea del Sud. L’assemblaggio del tokamak è in corso a Cadarache, nel sud della Francia, e la sua accensione è prevista per il 2027. L’obiettivo è quello di generare una potenza di 500 MW con un’energia in ingresso di soli 50. Demo, il grande reattore industriale capace di immettere energia in rete, successore di Iter, dovrebbe entrare in funzione nel 2050.

L’esperimento intergovernativo non è il solo in corso. A febbraio, per esempio, il tokamak britannico Jet (Joint European Torus) ha condotto una sessione di fusione di cinque secondi (il massimo consentito dai materiali che lo costituiscono). La quantità di energia prodotta – 59 megajoule, sufficienti a portare a ebollizione l’acqua di 60 bollitori – è ancora modesta, ma è quasi il triplo rispetto al precedente record, che risaliva al 1997.

Commonwealth Fusion Systems

Nel 2018 un gruppo di ricercatori e scienziati provenienti dal Mit di Boston ha dato vita a Commonwealth Fusion Systems, una startup nata per accelerare l’industrializzazione della fusione a confinamento magnetico. L’azienda dichiara di volere costruire e testare entro il 2025 un impianto pilota per dimostrare la possibilità di una produzione netta di energia, chiamato Sparc. A seguire, è prevista per i primi anni del prossimo decennio l’entrata in funzione del primo reattore su scala industriale, Arc, completo dei sistemi per la raccolta dell’energia e per la conversione del calore in energia elettrica da immettere in rete.

L’azienda, oltre a collaborare con il Plasma Science and Fusion Center del Mit, ha il sostegno di grandi gruppi industriali, tra cui Eni, che collabora con la startup per l’industrializzazione della tecnologia.

Eni e la fusione

Eni collabora da tempo con il Mit nel campo dell’energia. In questo ambito partecipa al programma Lift (Laboratory for Innovation in Fusion Technology), che vuole individuare soluzioni utili alla fusione in termini di materiali, tecnologie superconduttive, fisica e controllo del plasma. Partecipa poi, dal 2019, al progetto Dtt (Divertor Tokamak Test facility) di Enea (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile) per sviluppare un tokamak dedicato alla sperimentazione del componente, chiamato ‘divertore’, che dovrà gestire le grandi quantità di calore sviluppate nella camera di fusione. Eni è partner al 25%, Enea detiene il 70%, mentre il restante 5% appartiene a varie università e centri di ricerca. Il progetto, in fase di realizzazione al Centro di ricerche di Frascati, rappresenta, a oggi, il più grande singolo investimento in ricerca del nostro Paese.

Ci sono poi le altre collaborazioni con istituti come il Cnr e i principali atenei italiani, per promuovere dottorati di ricerca e Grant per la ricerca nel campo dell’energia da fusione. Eni ha anche messo a disposizione dei ricercatori il suo Green Data Center, che con la sua potenza di calcolo permette di usare modelli matematici complessi per descrivere la fisica del plasma e simularne il comportamento. Progetti pensati perché la fusione possa essere parta attiva dei progetti per contribuire a raggiungere la neutralità carbonica entro il 2050. Anno in cui, secondo la Iea, il nostro pianeta avrà bisogno di una volta e mezza l’elettricità che consuma oggi.

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