Il percorso verso la fusione nucleare

Oggigiorno stiamo assistendo ad una crescita dei consumi pro-capite nei paesi sviluppati e ad un sempre più facile accesso a fonti di energia moderne nei paesi in via di sviluppo. Ne consegue un continuo aumento della domanda globale di energia. Una delle sfide del nostro tempo consiste nel promuovere tale processo ed al contempo ridurre l’impatto ambientale, dato che l’utilizzo di combustibili fossili e le conseguenti emissioni di gas serra sono la causa principale del riscaldamento globale. Le attuali strategie di riduzione delle emissioni puntano su un maggiore utilizzo di fonti di energia rinnovabile e fissione nucleare.

D’altronde, stando alle previsioni sulla crescita demografica globale, la domanda di energia continuerà ad aumentare in un’ottica di lungo periodo. Un giorno, quindi, ci sarà bisogno di molta più energia di quella che utilizziamo attualmente, e le fonti energetiche che oggi sfruttiamo sono destinate ad esaurirsi. Ciò ci spinge a ricercare nuove soluzioni che assicurino sia la sostenibilità ambientale sia la disponibilità e inesauribilità della fonte stessa. Una di esse è la fusione nucleare.

Da decenni fisici e ingegneri stanno lavorando allo sviluppo di macchinari per realizzare le reazioni di fusione qui sulla Terra. Una soluzione promettente consiste nel confinare il plasma caldo per mezzo di campi magnetici, all’interno delle cosiddette macchine tokamak. Su questa tecnologia sta puntando EUROfusion, il consorzio europeo per la ricerca sulla fusione nucleare. In quest’articolo descriveremo tre progetti chiave nella strategia di EUROfusion, che segneranno la fase conclusiva del percorso verso un vero e proprio fusion power plant; questi tre tokamak sono JET, ITER e DEMO.

Percorso verso la produzione di elettricità da fusione nucleare.

Nei futuri reattori verrà utilizzata la reazione di fusione fra deuterio e trizio (D-T), ma siccome il trizio è scarsamente presente sulla Terra nelle attuali macchine tokamak si ricorre spesso ad altre reazioni, come la D-D. Infine, definiamo il fattore di guadagno Q come il rapporto tra la potenza di fusione prodotta P_out e quella immessa nel sistema P_in. Nei fusion power plant si dovrà avere un fattore Q molto maggiore di 1.

JET

JET, acronimo di Joint European Torus, è la più importante macchina tokamak realizzata e utilizzata fino ad oggi. Situato vicino a Oxford (UK), JET opera sin dal 1983 allo scopo di studiare il comportamento del plasma in condizioni e con dimensioni che si avvicinano a quelle dei futuri reattori a fusione. JET, infatti, non è un vero e proprio reattore, bensì un tokamak utile alla realizzazione di esperimenti. Nel dicembre 2021, a JET è stato conseguito un record storico, con una quantità di energia prodotta pari a 59 megajoule, più che del doppio rispetto al precedente primato ottenuto sempre a JET nel 1997. A questo link è possibile vedere un video dell’esperimento. Va precisato che l’energia prodotta è stata inferiore rispetto a quella fornita al plasma, per cui ad oggi sono stati raggiunti ottimi risultati ma ancora con Q<1.

Durante la sua storia, JET ha subito diverse modifiche per quanto riguarda la camera di reazione. In questo modo è stato possibile testare i materiali da utilizzare per la realizzazione del successivo progetto ITER. Inoltre, JET è finora l’unico tokamak abilitato all’utilizzo di una miscela D-T.  L’utilizzo del trizio, che è un elemento radioattivo, preclude l’ingresso di personale nella camera di reazione per la manutenzione. Per questo sono stati sviluppati sistemi robotizzati a controllo remoto per eventuali interventi interni alla camera.

Vista interna di JET.

ITER

ITER, acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, è il progetto chiave nella ricerca sulla fusione nucleare. Esso rappresenta un ponte che collegherà la conoscenza conseguita finora tramite esperimenti come JET ai reattori a fusione di domani. Attualmente in costruzione a Cadarache (Francia), ITER è progettato per essere la macchina tokamak più grande al mondo. Lo scopo principale di ITER consiste nell’ottenere per la prima volta un guadagno netto di energia da fusione (Q>1); in particolare, i fisici coinvolti nel progetto stimano una potenza da fusione di 500 megawatt a partire da una potenza di riscaldamento pari a 50 megawatt, per cui Q=10. La potenza ottenuta non sarà però convertita in elettricità. I fisici si aspettano anche una maggiore stabilità del plasma, il che vuol dire una maggiore durata degli esperimenti. ITER, inoltre, testerà tecnologie, materiali e regimi di plasma che saranno utili per la realizzazione dei futuri reattori a fusione.

Design di ITER.

La realizzazione di ITER è frutto di un accordo fra 7 partner: UE, Cina, Corea del Sud, Giappone, India, Russia e USA; ognuno di essi ha in carico la realizzazione di alcuni componenti del reattore. È possibile seguire la costruzione dell’impianto sul canale YouTube di ITER. La produzione del primo plasma è attesa per il 2025 e il successivo funzionamento permetterà di ottenere ulteriori indicazioni utili alla progettazione di DEMO.

DEMO

DEMO sarà il primo prototipo di fusion power plant. Gli scopi principali di DEMO sono:

• dimostrare la produzione di energia elettrica da immettere in rete;
• raggiungere l’autosufficienza dal punto di vista del trizio;
• valutare la fattibilità economica di un reattore a fusione.

In pratica il tokamak è integrato all’interno di un impianto di potenza e il calore prelevato dalla camera di reazione viene convertito in energia elettrica. La parete delle camera di reazione è circondata dal breeding blanket, con il risultato di produrre trizio internamente all’impianto per poi reimmetterlo come combustibile delle reazioni. La progettazione di DEMO, che attualmente è già in corso, deve anche concentrarsi sul diminuire il costo dei componenti e della manutenzione necessaria. La fusione nucleare, per quanto promettente dal punto di vista della sostenibilità, deve comunque risultare economicamente competitiva con le altre fonti energetiche.

La realizzazione di DEMO è prevista per la metà di questo secolo. Se ITER e poi DEMO avranno successo nel conseguire i rispettivi obiettivi, essi getteranno le basi per la prima generazione di reattori a fusione.

Articoli precedenti:

La fusione nucleare: che cos’è e che prospettive può darci?

Il reattore a fusione nucleare

Fonti:

• P. Platania et al. Energia e Fusione Nucleare – La via del confinamento magnetico. Società italiana di Fisica
• EUROfusion website
• F. Romanelli et al. Fusion Electricity: a roadmap to the realisation of fusion energy. European Fusion Development Agreement
• JET website
• ITER website
• DEMO website

Gabriele De Sano

Dottore in Ingegneria Energetica. Appassionato delle tecnologie utilizzate nel campo delle fonti rinnovabili e dello sviluppo sostenibile. Credo che l'interesse di ognuno nei confronti di queste tematiche possa essere il motore della transizione ecologica.

• Facebook