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2021-05-12 20:20

Perché mancano sempre 30 anni

LA FUSIONE NUCLEARE

di: 
Massimo Sepielli*

Abbiamo chiesto all’autore, dirigente di ricerca Enea ed esperto nucleare, la sua opinione spassionata sui progetti di fusione nucleare e sui loro possibili esiti in relazione alle attese suscitate, chiarendo il contesto, i tempi di sviluppo, i molteplici effetti in termini di applicazioni industriali.

Quando negli anni ‘80 seguivo il corso di fisica atomica alla Sapienza, il prof. Bruno Brunelli (Fig.1), a cui ora è dedicata l’aula principale del centro ENEA di Frascati, mi diceva, col suo inconfondibile accento veneto: “Caro Sepielli, ci vorranno ancora un po’ di anni ma ci arriveremo”.  Come non farsi prendere dall’entusiasmo, lui era un’autorità scientifica indiscussa, ed io uno studente universitario di belle speranze…

Oggi, sono un dirigente di ricerca dell’ENEA e ho avuto importanti responsabilità nel settore nucleare. Mi piacerebbe provare ancora lo stesso entusiasmo ma ho imparato a distinguere i processi/sistemi che funzionano, sia naturali sia guidati dall’uomo, da quelli che non funzionano o lo fanno in maniera casuale e non affidabile. Devo ammettere che sono divenuto molto scettico sulla realizzazione della fusione nucleare sul pianeta terra.

Per la mia esperienza, i processi / sistemi che funzionano, solitamente lo fanno in maniera sistematica e con grande evidenza, come la radioattività naturale, quella artificiale, la fissione nucleare, la fusione nucleare nel sole e nelle stelle. Ad esempio, la fissione nucleare avviene spontaneamente anche in natura, si pensi al reattore naturale a fissione che è in attività da millenni in Gabon senza intervento dell’uomo.Fig.1 - Il Prof. Bruno Brunelli e il processo di fusione nucleare

Di converso, il meglio della scienza e della tecnica a livello mondiale non riesce dagli anni ’50 neppure ad avvicinarsi (non dico a raggiungere) alle condizioni stabilite dal criterio di Lawson di innesco e mantenimento della reazione di fusione calda a confinamento magnetico, che recita che la densità ed il tempo di confinamento del plasma fra loro moltiplicati devono eguagliare il valore di temperatura nucleare di decine di KeV, corrispondenti a centinaia di milioni di gradi.

Le macchine per la fusione (vedi Fig.2) , i cosiddetti  TOKAMAK, come ITER o DEMO, gli altri prototipi meno acclamati come IGNITOR del Prof. Coppi o lo STELLARATOR Wendelstein 7-X (W7-X) tedesco o il progetto SPARK del MIT che piace a ENI e al neo-ministro della transizione ecologica Cingolani, si allineano speranzosamente sulla curva che porta al punto di  innesco (ignizione) ed al mantenimento della reazione di fusione con bilancio energetico positivo per poter produrre finalmente l’agognata energia “pulita”. Se ne deduce che la fusione nucleare rientra ahimè fra i processi che ancora non funzionano e che comunque, nel breve-medio termine, non saranno utilizzabili praticamente per fornire energia alla società umana, come fa il sole.

Fig. 2 - Vista di un impianto tipo TOKAMAK , e in basso uno spaccato di ITER con il posizionamento dei prototipi rispetto al criterio di Lawson.

Il Programma EUROFUSION, Fusion For Energy (F4E), i fondi fusione da H2020 EURATOM, i fondi nazionali ministeriali e regionali per il DTT, Divertor Test Tokamak Italiano, fondi privati anche da parte di enti energetici Oil & Gas, dimostrano che il problema non sia quello dei finanziamenti. Basti pensare anche al quasi 1 miliardo di euro che è arrivato recentemente per commesse alle industrie Italiane per la fabbricazione di componenti per la fusione.

Inoltre, a livello di accettazione politica e sociale, non vi sono posizioni ostative alla fusione, ma anzi molto favorevoli, con le Regioni che si sono contese, anche a suon di ricorsi, di ospitare il nuovo impianto a fusione DTT.  La fusione, infatti, gode di ottima stampa ed è presentata all’opinione pubblica come energia pulita, al pari delle fonti rinnovabili, in confronto alla campagna denigratoria permanente sulle fonti energetiche “scorrette” come le centrali a carbone ed elettronucleari, pur essendo comunque la fusione un processo nucleare e nonostante produca una coda di residui, come il trizio radioattivo, e materiali attivati da irraggiamento neutronico delle strutture dell’impianto, oltre a comportare comunque un rischio elettromagnetico e fisico-chimico.

Nonostante tutto ciò, siamo lontani dalla meta. Andando al nocciolo della questione, vi sono problemi tecnico-scientifici e tecnologici ancora molto difficili da superare.

Il primo è la formazione e soprattutto il mantenimento del plasma caldo, lo stato della materia in cui i nuclei leggeri di deuterio e trizio navigano staccati dai loro elettroni e possono fondersi superando le forze di repulsione coulombiana;  il suo riscaldamento ohmico, attraverso neutral beams, fasci di particelle neutre che lo devono portare a centinaia di milioni di gradi; il suo confinamento ed isolamento, rispetto alle pareti della camera toroidale, ed il controllo della forma ottimale ad anello (ring shape), che avviene attraverso campi magnetici potentissimi ottenuti con bobine di superconduttori a bassissima temperatura. Il mantello (blanket) di litio, anch’esso tenuto a bassa temperatura, che bombardato da neutroni da 14 MeV quindi ad alta energia, deve produrre il trizio necessario, cioè il “combustibile” da riciclare nella camera per il mantenimento della reazione di fusione deuterio – trizio.  Il TOKAMAK deve, quindi, al tempo stesso assicurare il vuoto nella sua camera toroidale a sezione D-shape, contenere plasma in pressione a milioni di gradi e allo stesso tempo essere raffreddata esternamente quasi allo zero assoluto da potenti sistemi criogenici, il tutto nello spazio di metri o addirittura centimetri. È una sfida davvero difficile.

Ancora, vi sono componenti particolarmente critici come il divertore su cui si scarica in normale funzionamento  la potenza prodotta dalla fusione nel plasma che dove poter sopportare il carico di potenze dell’ordine di  500 MWt, ed anche il temuto fenomeno della disruzione (disruption) del plasma, cioè il fenomeno per cui il plasma perde il suo assetto e sfarfalla rompendosi e scaricando la sua potenza in pochi istanti sul divertore e sulla struttura, il che  rappresenta  l’incidente critico del processo, che porta alla distruzione dell’impianto.

I materiali rappresentano un grosso problema da superare e un aspetto cruciale della ricerca scientifica e tecnologica. Si stanno studiando materiali avanzatissimi (e costosissimi) che possano resistere a temperature così estreme e sotto irraggiamento di neutroni ad alta energia, senza perdere le proprie caratteristiche termo-meccaniche e nucleari.

I problemi sono, quindi, enormi e spiegano perché da 70 anni non si riesce a realizzare un reattore a fusione. Ma allora perché non si rinuncia?

La prima ragione attiene alla fortissima attrazione psicologica esercitata dal mito dell’inesauribilità: se sul sole il processo avviene e funziona, deve poter funzionare anche da noi sulla terra e il sogno di fare il nostro piccolo sole non può svanire. In realtà le condizioni di fusione nel sole sono dovute alle enormi pressioni esistenti nella nostra stella che tengono insieme e permettono di fondere i nuclei leggeri per creare nuclei più pesanti all’interno della massa solare  che poi, man mano, nel corso di miliardi di anni, tenderà come tutte le stelle a spegnersi perché, quando i nuclei leggeri saranno ridotti,  non ci sarà più convenienza energetica a fondere nuclei  più pesanti, e quindi anche il sole muterà da gigante rossa a nana bianca come tutte le stelle.

La seconda ragione risiede nell’opportunità offerta dagli ingenti finanziamenti che tengono in vita il sistema ricerca di settore, e quindi sono di per sé un motivo estremamente valido: ricercatori, scienziati, fisici, ingegneri, centri di ricerca, laboratori, università, vivono anche grazie a questi fondi e nessuno ovviamente ci rinuncia. Inoltre, la fusione porta innegabili vantaggi al sistema industriale nazionale, proprio in corrispondenza delle sue criticità. Infatti, la ricerca per la fusione conduce ai cosiddetti  by-product, cioè quei risultati che si ottengono nel corso delle ricerche e che trovano applicazione in campi limitrofi o anche lontani dall’ambito della ricerca principale, e cioè nuovi sistemi e ritrovati nel campo della strumentazione, dell’elettronica e robotica avanzata, dei materiali ad alta resistenza, dei processi innovativi, dei magneti superconduttori, dei sistemi e tecniche di produzione, dell’ingegneria civile e impiantistica, della componentistica, ecc. Paradossalmente, anche se non si realizzasse mai il processo di fusione nucleare, si disseminerebbe la strada di innovazione tecnologica con ricadute in tutti i settori.

Lo stesso discorso vale anche a livello internazionale, se si pensa che il Progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), attualmente in costruzione a Cadarache in Provenza, viene a costare, ad oggi, una cifra intorno ai 20 miliardi di euro ed entrerà in operazione non prima del 2030. Come si vede in figura 3, ITER è un enorme cantiere industriale, tra l’altro guidato da un ingegnere Italiano di grande esperienza, e realizza per tutti i sistemi del reattore opere e tecnologie che sono all’avanguardia nel mondo. Ovviamente, la costruzione e la messa in operazione sono dei traguardi in sé, che prescindono dalla realizzazione del programma scientifico associato al reattore. Quindi anche qui siamo nel campo del by product o meglio del by – enterprise.

Fig.3 - Il cantiere di ITER, Cadarache (Francia) 

Quindi l’affair va avanti e, come si diceva, è in grado di attrarre anche finanziamenti privati con un certo ritorno di immagine. Ad esempio, ENI ha reso pubbliche, di recente, con grande evidenza, le proprie decisioni di contribuire a finanziare il reattore a fusione SPARC del MIT e di partecipare al Consorzio SCARL DTT di ENEA (Figura 4) anche se con cifre per il momento irrisorie rispetto alle potenzialità economiche di ENI.

Fig.4 - DTT, Reattore a fusione dell’ENEA prova divertore

Oltre alla fusione nucleare a confinamento magnetico, continuano i tentativi di ottenere energia da fusione con altre tecniche e sistemi. Fra questi i reattori a fusione fredda, basata sull’effetto tunnel di catalizzatori quali palladio, nichel o costantana, che permettono di raggiungere la fusione nucleare a temperature ambiente (fig.5). Altri sistemi comprendono il confinamento inerziale a fasci laser, il confinamento inerziale di tipo elettrostatico, ecc.

Questi tentativi, ben visti dal mondo green in quanto, a livello della comunicazione di massa, appaiono in competizione con la fissione nucleare (?) mentre nel mondo scientifico sono considerati di fatto potenziali competitori della fusione calda, ad oggi, non hanno dato risultati concreti di tipo industriale in quanto soffrono del problema della non riproducibilità e ripetitività degli esperimenti. Ad esempio, la fusione fredda di Fleischmann e Pons, entusiasticamente ribadita in tutto il mondo dai diversi laboratori fra cui ENEA Frascati (Scaramuzzi) con misure di flussi neutronici formidabili, non ha poi trovato sviluppo nonostante i molti gruppi scientifici ed anche militari (persino la US Navy) che si sono avvicendati a livello mondiale e i numerosi brevetti di macchine presentati.

Anche qui, come detto, se le cose non hanno funzionato subito e bene, è perché c’è qualche problema di base. Qualcuno insinua che gli esperimenti siano così avanti da far scattare un veto da parte delle multinazionali del petrolio per non produrre e vendere queste piccole macchine a fusione che sostituirebbero le forniture elettriche e termiche oggi assicurate da oil & gas. Ma c’è da scommettere che se davvero le macchine a fusione funzionassero, si sarebbero già diffuse senza problemi e capillarmente.

Il dato di fatto è che, per questi processi sperimentali stocastici, manca una teoria robusta che permetta di comprendere bene i fenomeni che avvengono e di riprodurre quindi a piacimento le condizioni idonee per un funzionamento stabile e continuo. Oggi, comunque, è partito un progetto Europeo molto serio e promettente che si chiama Clean HME - Clean Power from Hydrogen-Metal Systems, da cui ci si aspetta importanti risultati.

Fig.5 - Macchina a fusione fredda di Rossi e Focardi (sinistra) e cella elettrolitica sperimentale di Celani

Ma, aldilà delle mode del momento, per diversi decenni non sarà possibile aspettarsi il primo KWh elettrico generato in continua dalla fusione. Quindi la fusione nucleare come alternativa al fossile, ad oggi, resta un sogno.

I Paesi all’avanguardia tecnologica, come USA, Russia, Francia, Regno Unito, ed ora Cina, Giappone, Corea del sud, India, accanto alla fusione, proseguono le ricerche in modo pragmatico in tutti i possibili settori dell’energia, senza vietarsi niente, sviluppando così le tecnologie per tutte le fonti energetiche, potenziando le loro infrastrutture e risorse interne di ricerca e produzione, per poi proporsi all’estero come fornitori di tecnologie, processi e prodotti.

Viceversa, l’Italia, che conterebbe ancora oggi su enormi potenzialità umane, si fa molti scrupoli, alcuni giustificati da problemi etici ma, assai più, determinati da ideologia e demagogia, che bloccano le progettualità, le professionalità e le competenze. Risorse umane che, fatalmente, finiscono per andare ad operare - e sovente a dirigere attività - in imprese ed istituti stranieri, rafforzandoli ulteriormente. Di fronte alle potenze tradizionali - ed ora alle tigri asiatiche - un tale atteggiamento porta inevitabilmente ad una sudditanza commerciale e occupazionale, anticamera di una vera e propria colonizzazione.

La ricerca scientifica di un Paese evoluito non può essere solo un volo pindarico nel futuro remoto, ma si deve agganciare fortemente alle necessità reali ed al tessuto produttivo, ovviamente nel rispetto nell’ambiente e del territorio. I Paesi che, a partire dall’energia, non hanno una loro indipendenza e sovranità, ma si affidano ad altri Paesi perché incapaci di essere autosufficienti, finiscono per cedere i propri asset e le migliori risorse, andando incontro ad un futuro poco roseo e ad un presente preoccupante.

In conclusione, e per condividere la speranza ed il desiderio del Prof. Brunelli, direi che è ragionevole proseguire con la ricerca sulla fusione nucleare, ma senza più negarsi la ricerca industriale in settori dell’energia che già oggi possono darci sostegno e sviluppo, occupazione e minore dipendenza energetica.

*Ingegnere, dirigente di ricerca Enea