Fusione nucleare

Riprodurre sulla terra un sole in miniatura per realizzare centrali a fusione nucleare: questo l’obiettivo del JET (Joint European Torus) sostenuto dalla UE presso il centro di ricerca di Culham, a sud di Oxford, nel Regno Unito. Già nel 1983 al JET era stato creato per la prima volta il plasma, o quarto stato della materia, ora sono state raggiunte le temperature più alte di tutto il sistema solare, anche dieci volte superiori a quelle nel centro del sole, parliamo di ben 200 milioni di gradi centigradi.

Le prime ricerche sulla fusione risalgono agli anni cinquanta, ma il grande impulso allo sviluppo lo si deve sia allo shock petrolifero del 1973 che alla ormai ex Unione Sovietica, con le ricerche condotte verso la fine degli anni sessanta sulle macchine toroidali. In quel periodo anche UE, Giappone e Stati Uniti decisero di avviare separatamente progetti di studio di fattibilità sulla fusione, ma negli anni novanta il calo del prezzo del petrolio ha comportato una notevole riduzione degli investimenti. Oggi, visti i cambiamenti climatici in atto, l’interesse verso la fusione è di nuovo sbocciato e la Commissione Europea spera con una centrale dimostrativa di riuscire entro il 2050 a produrre energia elettrica da fusione. Il piano prevede la costruzione entro il 2020 della centrale sperimentale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) ed entro il 2040 della centrale dimostrativa Demo, per, poi, proseguire con le prime centrali commerciali a fusione.

Nelle reazioni di fusione nucleare sono coinvolti normalmente due isotopi dell’idrogeno: il deuterio (con nucleo composto da un protone e un neutrone) e il trizio (un protone e due neutroni), che si possono fondere per dar vita ad un atomo di elio più un neutrone. L’energia che si sviluppa verrà, poi, impiegata per produrre calore ad alta temperatura e quindi elettricità, esattamente come avviene in qualsiasi centrale termoelettrica. Mentre il deuterio è un isotopo molto comune presente nell’acqua del mare, il trizio, invece, è abbastanza raro e si ottiene direttamente nel rettore attraverso la reazione tra un neutrone e un atomo di litio. Fortunatamente sulla terra c’è deuterio e litio a sufficienza per soddisfare per almeno 30 milioni di anni il fabbisogno elettrico e si stima che il costo del combustibile nelle future centrali a fusione rappresenterà circa l’uno per cento del costo del megawattora finale.

Le ricerche eseguite dai 500 scienziati, di cui 350 europei, che stanno lavorando a JET, sono di primaria importanza ai fini della realizzazione a Caradache, nel sud della Francia, della macchina a fusione ITER, che sarà la prima al mondo a confinamento magnetico del plasma a generare un surplus di energia con reazioni deuterio-trizio. In pratica si cercherà di ottenere un plasma in grado di sostenere la reazione di fusione per un tempo sufficientemente lungo, almeno mille secondi, mentre con Demo le reazioni dovranno durare indefinitamente. Riprodurre in un toroide di 80 m³ le reazioni nucleari che avvengono nel Sole non è un’impresa facile, due sono, infatti, le principali sfide tecnologiche che gli scienziati stanno fronteggiando: lo sviluppo di componenti che possano dissipare in modo veloce e affidabile il calore prodotto nella reazione di fusione e la realizzazione di materiali in grado di resistere per almeno cinque anni al flusso consistente di neutroni prodotto nella fusione deuterio-trizio. Per questo motivo sono stati inseriti nella parte inferiore del toroide, dove si concentra la maggior parte del calore prodotto, materiali a base di berillio e tungsteno al posto del carbonio, che ha evidenziato un tasso di erosione troppo alto.

Gli aspetti più positivi di una centrale a fusione riguardano, innanzitutto, l’assenza di reazioni a catena e nel caso peggiore possibile, ossia il mancato funzionamento di tutti i sistemi di controllo, la fusione si arresterebbe in circa un secondo. E questa non è una differenza da poco rispetto alle classiche centrali nucleari a fissione, dove in caso di incidente o di guasto è necessario smaltire il calore di decadimento e possono aver luogo reazioni incontrollate. È vero che il plasma può arrivare a temperature di centinaia di milioni di gradi, ma stiamo, comunque, parlando di qualcosa un milione di volte meno denso dell’atmosfera, il che significa che nell’improbabile ipotesi di una fuoriuscita di plasma dalla macchina, la temperatura scenderebbe immediatamente e le reazioni si bloccherebbero all’istante. Inoltre, nelle centrali a fusione non si generano elementi radioattivi con tempi di dimezzamento di migliaia di anni e quindi non sono necessari depositi di stoccaggio dei rifiuti radioattivi. E’ vero che i materiali irraggiati dal flusso neutronico diventano radioattivi, ma i loro tempi di dimezzamento sono limitati ad alcuni decenni, massimo un secolo. Il problema maggiore al momento riguarda il trizio, che ha un tempo di decadimento di 12 anni e non può essere assolutamente disperso nell’ambiente. Per evitare agli operatori qualsiasi tipo di contaminazione radioattiva, tutte le operazioni di manutenzione vengono eseguite dall’esterno attraverso braccia meccaniche.

Ad oggi l’obiettivo primario è quello di ridurre il consumo di combustibili fossili per limitare i cambiamenti climatici e la fusione rappresenta una fonte ideale per produrre energia, inoltre è in grado di gestire le fluttuazioni tipiche delle rinnovabili, che hanno bisogno di sistemi di stoccaggio che fanno crescere inevitabilmente il costo finale del megawattora.

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