Portare il Sole sulla Terra

A circa 150 milioni di chilometri da noi esiste una grande e potentissima centrale a fusione nucleare: il Sole. Senza la nostra stella non potremmo immaginare una fonte di energia così potente, semplicemente perché non esisteremmo e non esisterebbe nemmeno questo articolo. Il Sole ha circa 4,57 miliardi di anni e ha reso possibile la formazione della vita sul nostro pianeta. È una formidabile fonte di energia e per questo da decenni i ricercatori vorrebbero imitarne i meccanismi, realizzando sulla Terra dei reattori a fusione nucleare: piccoli soli che potrebbero risolvere buona parte dei nostri problemi per la produzione di energia pulita.

La sfida è scientificamente e tecnicamente enorme, ma nonostante gli sforzi dei ricercatori e investimenti da svariati miliardi di euro, per ora si è rivelata infruttuosa. Una nuova serie di progressi ha spinto ora alcuni gruppi di ricerca a dirsi più ottimisti, contemplando la possibilità di creare una prima centrale a fusione entro una ventina di anni. Le loro dichiarazioni non convincono però altri esperti, molto scettici su questa eventualità e convinti che la produzione di energia da fonti rinnovabili – come luce solare e vento – possa essere l’unica opzione veramente percorribile per ridurre le emissioni inquinanti e di conseguenza ridurre gli effetti del riscaldamento globale.

Le centrali nucleari di oggi
L’energia nucleare fa parte della nostra esistenza da più di mezzo secolo. Tra i primi a costruire un reattore funzionante ci fu il fisico italiano Enrico Fermi, che alla fine del 1942 ne realizzò un modello dimostrativo negli Stati Uniti, illustrando le grandi potenzialità del nuovo sistema. Da allora le tecnologie delle centrali nucleari si sono evolute notevolmente, mantenendo comunque invariato il principio alla base del loro funzionamento: la fissione.

In una reazione di fissione nucleare, i nuclei di atomi pesanti (con un alto numero atomico) come il plutonio 239 o l’uranio 235 vengono indotti a spezzarsi, con la conseguente produzione di nuclei con numero atomico inferiore. Nel processo si libera una grande quantità di energia, che nelle centrali nucleari viene sfruttata per trasformare acqua ad alta pressione in vapore, che poi fa girare turbine cui sono collegati generatori per produrre energia elettrica. Il sistema implica però la produzione di materiali residui altamente pericolosi, le cosiddette “scorie radioattive”, che devono essere conservate con cura e isolate dall’ambiente circostante, per evitare contaminazioni.

I reattori a fissione nucleare attivi nel mondo sono oggi circa 450, distribuiti in 31 paesi: gli Stati Uniti sono il paese con il maggior numero di reattori (104), seguiti da Francia (58) e da Giappone (51). In Italia ce n’erano quattro, poi chiusi in seguito ai referendum del 1987 che di fatto impedirono la costruzione di nuovi impianti e il mantenimento di quelli già attivi. Il referendum arrivava dopo l’incidente di Three Mile Island negli Stati Uniti e di Černobyl in Ucraina.

Le centrali a fissione sono sicure, e quelle di nuova generazione adottano ulteriori sistemi per ridurre al minimo il rischio di danni ai reattori, che potrebbero portare a reazioni incontrollate e a contaminazioni. I reattori di prossima generazione, in fase di progettazione, potrebbero essere ancora più sicuri ed efficienti, ma comporterebbero comunque la produzione di scorie radioattive con cui fare i conti. Per questo motivo da decenni i ricercatori provano a costruire un reattore alternativo a quelli a fissione, che funzioni con lo stesso principio di ciò che tiene acceso il Sole: la fusione nucleare.

Fusione nucleare
La fusione nucleare è l’opposto della fissione: invece di spezzare i nuclei pesanti in frammenti più piccoli, liberando energia, unisce i nuclei leggeri (come quello dell’idrogeno) per ottenerne di più pesanti. Il processo porta alla formazione di nuovi nuclei la cui massa è minore rispetto alla somma delle masse di quelli di partenza: ciò che manca è emesso come energia sotto forma di raggi gamma, onde altamente energetiche che possono essere sfruttate per produrre energia.

Il processo che abbiamo descritto (con enormi semplificazioni) è piuttosto lineare, ma difficilissimo da riprodurre artificialmente sulla Terra. I nuclei degli atomi tendono a respingersi a vicenda (repulsione elettrica) e servono quindi temperature nell’ordine di diversi milioni di °C per domarli trasformandoli in plasma e convincerli a unirsi tra loro, attraverso l’impiego di magneti molto potenti che contengano il tutto. In natura questo meccanismo avviene di continuo nelle stelle, Sole compreso, che possono essere considerate dei veri e propri generatori a fusione nucleare.

A oggi i ricercatori non sono riusciti a realizzare un sistema che tenga sotto controllo il fenomeno per più di qualche secondo, mancando quindi la possibilità di sfruttarlo per produrre energia elettrica. Una reazione incontrollata viene prodotta con le esplosioni delle bombe termonucleari, ma non sarebbe una soluzione molto raccomandabile o minimamente praticabile per la produzione di energia elettrica.

Le difficoltà sono molte, a cominciare dal sistema per contenere il plasma a milioni di gradi, prodotto dalla fusione dei nuclei d’idrogeno. La soluzione più esplorata implica l’impiego di grandi magneti per creare un campo magnetico che lo contenga, ma per alimentarli sono necessarie enormi quantità di energia elettrica, di poco inferiori a quelle prodotte della stessa fusione. Altri ricercatori stanno valutando la possibilità di impiegare elementi più semplici da fondere, come il deuterio e il trizio, in modo da rendere meno complicata la gestione del reattore.

Il vantaggio principale della fusione nucleare deriva dalla produzione di quantità inferiori e più facili da gestire di scorie radioattive, rispetto ai reattori a fissione, con costi operativi molto più bassi. Il prodotto di scarto della fusione dell’idrogeno è il trizio, un isotopo la cui radioattività non riesce a superare la pelle umana, costituendo quindi un basso rischio per la salute nel caso di contaminazioni accidentali. Il trizio decade inoltre rapidamente, quindi sarebbe via via meno radioattivo, in tempi paragonabili a quelli di vita delle stesse centrali a fusione.

Un’ipotetica centrale a fusione nucleare avrebbe inoltre il pregio di non produrre gas inquinanti e gas serra, che contribuiscono al riscaldamento globale. Le centrali più impiegate oggi bruciano combustibili fossili, come gas e carbone, rilasciando nell’atmosfera enormi quantità di anidride carbonica che impediscono alla Terra di disperdere parte del calore ricevuto dal Sole. Ciò sta determinando un aumento della temperatura media globale, con conseguenze per interi ecosistemi e per la nostra stessa esistenza, che potrebbero essere attenuate tramite l’impiego di fonti di energia “pulita”.

ITER
Il progetto più importante nell’ambito della ricerca sulla fusione nucleare per produrre energia elettrica si chiama ITER. È il frutto di una collaborazione tra 35 paesi al lavoro per costruire un primo reattore sperimentale a Cadarache, nel sud della Francia. Del consorzio fanno parte l’Unione Europea, gli Stati Uniti, l’India, il Giappone, la Corea del Sud e la Russia.

In questi anni, ITER ha subìto numerosi ritardi e ha richiesto investimenti per quasi 13 miliardi di euro. Nel corso di quest’anno è stata completata la costruzione di alcuni edifici per il controllo elettrico e dei magneti, ed è stata realizzata la struttura che servirà per costruire la torre di raffreddamento per l’acqua di processo, da completare entro un paio di anni.

I progettisti di ITER ritengono che entro la fine del 2025 l’impianto potrebbe essere utilizzato per produrre del plasma, ma diversi osservatori sono scettici sulla possibilità che ciò possa avvenire in tempi così stretti. Al momento non ci sono stime precise su quando potrebbero essere superati gli altri ostacoli tecnici per provare a produrre energia col nuovo reattore. L’ipotesi condivisa è che una centrale a fusione dimostrativa basata sulle ricerche di ITER non sarà pronta prima del 2050.

JET
L’esperimento più grande e attivo sulla fusione nucleare si trova sempre in Europa e si chiama JET (Joint European Torus). L’impianto è stato costruito nell’Oxfordshire, nel Regno Unito, ed è il frutto di una collaborazione internazionale avviata negli anni Settanta e che avrebbe poi fatto da base per ITER. L’Unione Europea ha finanziato il progetto fino al 2020, ma non è chiaro cosa ne sarà di JET dopo quella data, anche perché di mezzo potrebbero esserci un po’ di complicazioni dovute a Brexit (che potrebbero riguardare anche ITER). Nel frattempo, il governo britannico ha annunciato un finanziamento da 255 milioni di euro per progettare una centrale a fusione entro il 2040.

Tokamak
Gli esperimenti condotti in questi decenni hanno permesso di studiare e perfezionare una grande macchina sperimentale a forma di ciambella (toroidale) chiamata Tokamak. Al suo interno vengono prodotti il vuoto e l’intenso campo magnetico necessario per isolare il plasma, in modo che non entri in contatto con le pareti della ciambella. Le ricerche indicano che in questo modo si possono creare le condizioni per la fusione termonucleare in modo controllato, così da poterla sfruttare per produrre energia termica da trasformare in energia elettrica. Il problema è che il Tokamak è un grande ingordo di energia elettrica ed è quindi da dimostrare la sua capacità di produrne più di quanta sia necessaria per farlo funzionare.

Nel Regno Unito l’approccio è stato rivisto in parte realizzando una versione del Tokamak che ricorda più una mela che una ciambella. Questo Tokamak sferico può essere più piccolo e quindi più pratico per la costruzione di centrali di dimensioni contenute nelle città. In linea di massima, più una centrale elettrica è vicina a dove viene consumata l’energia e meglio è: ci sono meno costi per il trasporto dell’energia, meno elettrodotti da costruire e minori rischi di blackout dovuti a rotture lungo la linea.

Fusione creativa
ITER e JET non sono naturalmente gli unici progetti in corso per le ricerche intorno alla fusione nucleare. Diversi paesi stanno finanziando proprie iniziative per esplorare sistemi alternativi al Tokamak o per migliorarne l’efficienza. Uno dei progetti che ci riguarda direttamente si chiama Divertor Tokamak Test (DTT) ed è stato proposto dall’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (ENEA) e da diversi altri centri di ricerca italiani, compreso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

A settembre la Banca Europea degli Investimenti ha confermato lo stanziamento di 250 milioni di euro per allestire i laboratori che serviranno a DTT, e che saranno realizzati a Frascati, in provincia di Roma. Il progetto è stato approvato da EUROfusion, il consorzio europeo che si occupa di sviluppare le tecnologie per la fusione nucleare.

DTT ha lo scopo di studiare il modo migliore per realizzare un divertore all’interno di un Tokamak. Il divertore è la parte interna del reattore dove viene deviato il plasma che riesce a sfuggire al grande campo magnetico di contenimento: le particelle in fuga potrebbero danneggiare le pareti del Tokamak e quindi si devono usare altri campi magnetici per far sì che queste entrino in contatto con solo alcune parti del rivestimento interno – cioè il divertore – trattate in modo da resistere ad alte temperature e per essere in grado di dissipare il calore e smaltire altri residui della reazione.

Tradizionalmente la ricerca sulla fusione nucleare per scopi civili è stata condotta da centri di ricerca con fondi pubblici, considerate le grandi quantità di denaro necessarie per progettare e costruire gli impianti sperimentali. Tuttavia, l’avanzamento di alcune tecnologie, la riduzione delle dimensioni dei reattori e la prospettiva di produrre grandi ricavi con un sistema funzionante hanno fatto sì che negli ultimi anni alcune aziende private abbiano avviato propri progetti, o finanziato enti di ricerca.

La californiana TAE Technologies ha ricevuto finanziamenti da diverse aziende private, compresa Google, e ha tra gli obiettivi la costruzione di reattori di piccole dimensioni e più economici. I suoi ricercatori esplorano da tempo la possibilità di utilizzare elementi come idrogeno e boro per la reazione in uno speciale reattore (CBFR) che, scaldando il gas, porti alla forma di due anelli di plasma, poi fusi e tenuti insieme da altri fasci di particelle neutre, in modo da far durare a lungo la reazione e ridurre i problemi legati alla gestione dei campi magnetici.

Commonwealth Fusion Systems è un’altra azienda privata messa in piedi da alcuni ex ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Il loro approccio è più ortodosso e sempre legato al concetto del Tokamak, ma concentrato nella costruzione di magneti superconduttori più efficienti, che possano semplificare il contenimento del plasma.

C’è anche chi sta lavorando a sistemi alternativi, come la società canadese General Fusion che dice di voler costruire reattori sferici di dimensioni contenute, nei quali pompare del metallo liquido in modo da “fargli produrre un vortice”, al cui interno viene poi iniettato del plasma (sempre con il sistema per contenerlo magneticamente). Intorno alla sfera c’è un complesso di pistoni che si attivano tutti insieme per esercitare una forte pressione e portare il plasma alle condizioni della fusione.

Il calore prodotto dalla reazione si trasferisce al metallo liquido, che a sua volta fa evaporare dell’acqua che attiva turbine a vapore. Il processo viene ripetuto di continuo, un po’ come in un motore diesel. Secondo i progettisti, General Fusion potrebbe realizzare un primo reattore funzionante entro cinque anni, e anche per questo l’azienda ha ricevuto finanziamenti da diversi imprenditori, compreso Jeff Bezos, il CEO di Amazon.

Il problema dei problemi
Il problema, il più grande di tutti, è che al momento in nessun esperimento si è raggiunto un bilancio energetico soddisfacente. Detta in parole povere: nei test per la fusione si utilizza più energia di quanta ne venga poi prodotta dal processo. Ricercatori ed esperti concordano sul fatto che sia solo questione di tempo, e di scala, per arrivare a qualche risultato più incoraggiante. Le ricerche nel settore richiedono però investimenti da miliardi di dollari e la soluzione dei consorzi internazionali implica qualche rallentamento, per semplici motivi diplomatici e di opportunismo da parte dei singoli stati partecipanti, che comprensibilmente cercano di avere un ritorno dagli investimenti incentivando la ricerca e l’indotto entro i loro confini.

Ripensare la fissione
I più critici ritengono invece che l’interesse eccessivo verso la fusione distolga l’attenzione dalla fissione, cioè dal sistema che già oggi usiamo nelle centrali nucleari, e dalle opportunità per migliorarla rendendola più sicura e con la produzione di minori scorie. Bill Gates, l’ex capo di Microsoft e una delle persone più ricche al mondo, pensa che la soluzione più praticabile per avere energia e ridurre le emissioni di anidride carbonica passi per centrali nucleari a fissione di nuova generazione.

Attraverso la sua fondazione, Gates ha investito centinaia di milioni di dollari in TerraPower, un’iniziativa per progettare nuovi reattori più piccoli di quelli tradizionali, che utilizzano uranio impoverito e i cui scarti possono essere impiegati per altri reattori realizzati con la stessa tecnologia. Il sistema è inoltre più sicuro e rende estremamente remota la possibilità di un incidente nucleare paragonabile ai (pochi) avvenuti in passato.

TerraPower ha stretto accordi con il governo cinese per costruire un prototipo dei nuovi reattori, ma le attività si sono di recente arrestate a causa della cosiddetta “guerra commerciale” con la Cina voluta dal presidente statunitense Donald Trump, che ha portato a una sospensione degli accordi. Secondo molti osservatori, la soluzione proposta da Gates dovrebbe essere sperimentata, perché è una delle più promettenti per cambiare il modo in cui produciamo energia elettrica tramite la fissione.

Fusione e fonti rinnovabili
Nel settore energetico si lavora da anni alla ricerca di alternative ai combustibili fossili. Secondo il Gruppo intergovernativo sul cambiamento climatico, l’organizzazione scientifica delle Nazioni Unite che si occupa del riscaldamento globale, entro il 2030 le emissioni di anidride carbonica su scala planetaria dovrebbero essere ridotte del 45 per cento per evitare che la temperatura media globale aumenti di oltre 1,5 °C con conseguenze più gravi di quelle che dovremo comunque affrontare. Il problema è che a oggi buona parte dell’energia elettrica viene prodotta bruciando combustibili fossili, e un passaggio così rapido a fonti alternative sembra essere difficilmente praticabile.

Considerati i tempi, salvo progressi rivoluzionari, difficilmente ci saranno reattori a fusione disponibili nel prossimo decennio per compensare la dismissione di centrali a carbone e a gas. Per questo la soluzione più praticabile è ritenuta il ricorso alle fonti rinnovabili – come l’eolico, il solare – i cui costi di gestione sono diminuiti notevolmente negli ultimi anni. Il problema è che pannelli solari e pale eoliche forniscono energia elettrica in modo intermittente e non consentono di gestire facilmente i picchi, cioè i momenti in cui viene richiesta una maggiore quantità di energia, come possono fare le centrali a combustibili fossili o a fissione. L’energia idroelettrica viene considerata sempre meno come alternativa: implica costi di gestione iniziali alti e ha spesso un notevole impatto ambientale, dovuto alla costruzione dei bacini artificiali.

Una soluzione potrebbe essere offerta dagli accumulatori a corrente di nuova generazione: enormi batterie che raccolgono l’energia elettrica prodotta e non utilizzata durante le fasi di bassa richiesta, fornendola poi alla rete elettrica quando si verificano i picchi. Tesla, la società di Elon Musk, ha già realizzato alcune soluzioni di questo tipo su piccola scala, ma molti si chiedono se il modello possa essere applicato su grandi dimensioni e a costi sostenibili.

Anche con il miglior sistema integrato possibile, con le attuali tecnologie difficilmente un paese potrà produrre energia elettrica unicamente da fonti rinnovabili, e questa è una delle motivazioni più grandi che spingono i ricercatori a lavorare a un’idea un po’ folle come portare un pezzo di Sole sulla Terra.