FUSIONE CALDA: AL VIA LA COSTRUZIONE DEL REATTORE ITER

Riporto un articolo apparso sulla rivista “Ingenia” di Chris Warrick collaboratore del CCFE. Traduzione personale.

La Fusione si avvia alla fase di realizzazione 

La fusione nucleare è stata fino ad ora una grande speranza, con la sua possibilità di energia illimitata, sicura, libera da emissioni di carbonio, senza scorie radioattive se non prodotti transitori in minima quantità e di breve durata. La ricerca per un uso civile, iniziata nel 1950, sta facendo attualmente significativi progressi. Il processo di fusione è oggi maggiormente compreso dai fisici, e finalmente si sta arrivando alla ingegnerizzazione definitiva degli impianti fino ad oggi sperimentali. E’ venuto il tempo per le aziende interessate di attivarsi e di cogliere le opportunità per partecipare allo sviluppo definitivo e alla realizzazione materiale dei vari componenti dei reattori.

Nel 1920 il fisico inglese Sir Arthur Eddington avanzò per primo l’ipotesi che l’enorme energia derivante dalla fusione di nuclei di elementi leggeri come l’idrogeno avrebbe potuto essere alla base dell’energia prodotta dal sole e dalle stelle.  Infatti si ipotizzava che nel centro del sole alla temperatura di 15 milioni di gradi Celsius e alla pressione di miliardi di atmosfere, circa 600 miliardi di chili di nuclei di idrogeno venissero compressi ogni secondo fino a fondersi e formare nuclei di elio, rilasciando al contempo enormi quantità di energia. Nel 1950 si iniziò a studiare come riprodurre sulla Terra il processo di fusione in maniera controllata per produrre elettricità. I problemi teorici e le sfide ingegneristiche erano giganteschi ed infatti ci sono voluti ben 60 anni per arrivare vicini alla soluzione. Oggi stiamo lavorando alla fusione utilizzando gli isotopi dell’idrogeno Deuterio e Trizio, che nella reazione di fusione producono per metro cubo più energia di quanta ne viene prodotta dal sole, rilasciando elio e neutroni. Per avvenire la fusione richiede il confinamento di un plasma mantenuto ad altissime temperature  in cui i nuclei positivi siano separati dagli elettroni negativi. La temperatura del plasma deve raggiungere i 100-200 milioni di gradi Celsius per vincere la repulsione coulombiana dei nuclei. Questa è la condizione per estrarre l’energia dai nuclei. Fino ad oggi il mondo ha utilizzato (con l’eccezione della fissione nucleare) l’energia “periferica” degli atomi, quella legata alle interazioni degli elettroni (energia chimica), come ad esempio quella che si utilizza nella combustione degli idrocarburi. Questi non sono altro che il deposito formato dalla materia vivente mediante la fotosintesi dell’energia provenuta dal sole in milioni di anni. Purtroppo questo tipo di energia, oltre alla bassa efficienza e alla dipendenza dalla disponibilità dei depositi di idrocarburi, ha lo svantaggio di liberare carbonio nella biosfera e di essere altamente inquinante. Il carbonio è il principale responsabile dell’effetto serra e del global warming. Il particolato prodotto dalle combustioni è fortemente dannoso alla salute.  L’energia nucleare da fusione è invece potenzialmente illimitata, molto efficiente, completamente priva di emissioni di carbonio, priva di particolati. Rispetto alla fissione nucleare, non produce scorie radioattive. Tornando ai progetti sulla fusione, la sfida degli scienziati è stata di costruire un impianto che mantenesse il plasma caldissimo e instabile lontano dal contatto con le pareti del reattore, per consentire ai processi di fusione di avvenire e mantenersi nel tempo. Per confinare il plasma si sono utilizzati forti campi magnetici prodotti da spire di superconduttori che avvolgono una camera di reazione. Il primo tokamak fu sviluppato i Russia nel 1960: esso confina il plasma in una camera ad anello sottoposta a vuoto, e circondata da spire di superconduttori (rame raffreddato) che creano i campi magnetici necessari al confinamento del plasma. Le condizioni idonee alla fusione sono state raggiunte per la prima volta  nel progetto denominato “ Joint European Torus” ( JET ) situato presso il Culham Centre for Fusion Energy ( CCFE ) nei pressi di Oxford. I problemi ingegneristici si sono concentrati nella creazione di fortissimi campi magnetici richiesti dal confinamento e nei materiali necessari a contenere il plasma e il processo di fusione. Gli studi necessari, in particolare quelli per i superconduttori, sono stati molto utili e hanno avuto ricadute importanti su altri progetti, come quello per la realizzazione del “Large Hadron Collider” al CERN. Dopo molti studi teorici e tentativi sperimentali, è stato finalmente possibile costruire un tokamak in grado di resistere agli enormi stress meccanici indotti dalle correnti di plasma attivo e dai campi magnetici.

Il JET è, fino ad oggi, il più grande tokamak mai costruito al mondo. Il CCFE gestisce l’impianto per conto dell’Europa, fornendo i circa 400 ingegneri che mantengono e migliorano la macchina. L’European Fusion Developmente Agreement fornisce ulteriori competenze al JET quando è necessario. Il successo nella comprensione del comportamento del plasma ha fatto sì che le questioni chiave di ingegneria del progetto sono state definitivamente chiarite, come ad esempio  la scelta dei materiali che si interfacciano con il plasma, come la rimozione dell’elio prodotto dalle reazioni, come il riscaldamento del plasma utilizzando le radiofrequenze e fasci di particelle accelerate. Il programma JET è stato molto utile per la risoluzione di questi problemi, ed anche la questione della radioattività dei prodotti di reazione, di breve durata e in quantità limitata, si è dimostrata risolvibile:  essa può essere controllata e confinata nel reattore senza problemi e senza alcun pericolo. La tecnologia che permette la gestione e la manipolazione a distanza dei processi all’interno del reattore è stata un elemento chiave del successo del programma JET. Lo strato interno (interfaccia) della camera contenente il plasma è stato cambiato e migliorato più volte, utilizzando piastrelle di carbonio e poi, recentemente, di berillio e tungsteno. Il progetto JET ha ottenuto dal suo reattore 16 megawatts di potenza da reazioni nucleari di fusione ed ha dimostrato in via definitiva la fattibilità tecnica della fusione calda usando Deuterio e Trizio.  Le tecnologie sviluppate al JET hanno già portato benefici alle aziende inglesi partecipanti al progetto. Per esempio la Oxford Technologies Ltd, una azienda privata indipendente, ha collaborato con gli ingegneri del CCFE a sviluppare il sistema di gestione e manipolazione remota  dell’impianto e ha recentemente vinto un contratto da 3,5 milioni di sterline per progettare la gestione del successore del JET, il reattore internazionale ITER. Ormai il progetto sta avanzando rapidamente dagli studi di fisica alla fase ingegneristica  di costruzione del reattore funzionante. Il problema delle piastrelle di rivestimento della camera toroidale di confinamento del plasma è stato risolutivo: esse debbono consentire ai neutroni accelerati il passaggio attraverso la parete, senza danneggiarsi troppo. Allo stesso tempo le piastrelle debbono resistere alla ritenzione indesiderata dei combustibili come il trizio, il che porterebbe rapidamente ad una minore efficienza. La sostituzione delle piastrelle avviene grazie a manipolatori a controllo remoto robotizzati. Nel 2015 il JET dovrebbe concludere il ciclo di esperimenti previsti e nel frattempo è iniziata la costruzione di ITER a Cadarache (nel sud della Francia) con la partecipazione di Europa, Giappone, USA, Russia, India, Cina e Sud Corea. Il primo plasma attivo di ITER dovrebbe essere prodotto nel 2020.  ITER avrà una camera toroidale di volume otto volte superiore a quella del reattore di JET, in maniera da ottimizzare la resa energetica del plasma e il mantenimento delle condizioni per una attività del plasma molto più lunga nel tempo. L’output di ITER sarà molto più alto del precedente reattore (dai 500 ai 700 MW). Il sistema di superconduttori di ITER utilizzerà spire di niobio al posto del rame del JET; il niobio non richiede un raffreddamento spinto e necessita di meno energia immessa per funzionare. Inoltre ha una resistenza alla corrente  di elettroni molto minore. Una vota che i neutroni prodotti dal plasma hanno passato il primo strato, ITER presenta un secondo strato composto da una copertura di litio intorno alla camera del plasma, con il compito di assorbire l’energia cinetica dei neutroni e convertirla in calore. Il calore produce vapore che attiva le turbine. La reazione tra neutroni e litio, inoltre,  produce trizio che viene utilizzato per ricostituire il combustibile del plasma. Il tema dei materiali sta emergendo: necessitano berillio, tungsteno (strato interno), litio per il secondo rivestimento, niobio per il magnete. Un altro problema è quello degli acciai che vanno a costituire il supporto esterno, che può essre danneggiato dai neutroni e reso radioattivo (anche se per breve tempo). Una migliore scelta dei materiali può minimizzare il problema. Il programma “International Fusion Materials Irradiation Facility” (IFMIF) è stato studiato per generare neutroni con energie equivalenti a quelle del reattore, per testare i materiali candidati ad essere impiegati nel progetto ITER.

Quanto tempo ancora è richiesto ffinché la fusione divenga una realtà energetica? I ricercatori parlano del 2020 come una data plausibile per avere un prototipo di reattore funzionante. Nel 2030 si ritiene che possa concludersi la fase sperimentale. Nell’arco di tempo che va dal 2030 al 2050 saranno disponibili secondo le previsioni i primi reattori commerciali. Ci sono stati tangibili benefici dal lungo supporto alla ricerca sulla Fusione nucleare.  Per mezzo secolo, la ricerca svolta a Culham e presso altri impianti hanno migliorato i circuiti ad alto voltaggio, i campi magnetici, i superconduttori. Le ricadute sono state importanti in vari campi, come ad esempio nel campo della risonanza magnetica per quanto riguarda la diagnostica. I circuiti elettrici sono stati migliorati e adattati strutturalmente agli alti voltaggi.  Nel 1990 Ansaldo Ricerche e Fiat Ivco hanno utilizzato nella produzione di Bus ibridi (Altrobus ibrido) gli invertitori di potenza e i caricatori di batterie che erano basati, nella progettazione,  su impianti sviluppati per i circuiti del JET. Un centinaio di bus ibridi sono stati utilizzati dal 1999 a Genova. Più recentemente un’azienda britannica, NNC, con la collaborazione e l’assistenza di ingegneri del CCFE, ha sviluppato una nuova tecnologia per  l’ incollaggio a pressione isostatica, utilizzata nella produzione di piastrelle di isolamento  e altri materiali per ITER.  Un’altra azienda a beneficare della ricerca sulla fusione è stata la Reaction Engines che, utilizzando studi condotti con i ricercatori di  CCFE, ha prodotto sistemi di propulsione aerea per navette spaziali riutilizzabili (Skylon). La collaborazione con CCFE ha dato l’opportunità ad aziende inglesi di usufruire di contratti per 180 milioni di sterline. Di contratti milionari hanno usufruito anche aziende francesi ( come Altran) e spagnole (Idom). Nel prossimo decennio ITER utilizzerà finanziamenti per 5 miliardi di euro per lo sviluppo e la costruzione di componenti e sistemi per la messa a punto del reattore. Ma oltre al beneficio economico è forse di maggiore importanza l’accrescimento delle conoscenze e delle esperienze che accompagnano la realizzazione commerciale dei futuri reattori a fusione.

(Chris Warrick, c/o Culham Centre for Fusion Energy.  “Ingenia” settembre 2012. ).

Per un breve commento all’articolo posso solo aggiungere che il nostro disgraziato paese ha poco beneficiato delle ricerche sulla Fusione nucleare, per i soliti motivi. Da noi l’argomento è tabù per l’ottusità e la rigidità ideologica che sono alla base della situazione attuale del paese, in pieno declino e quasi senza speranza. Una classe politica corrotta e inetta, e una intellighentia ancora dedita all’ortodossia neo-illuminista (per non dire neo-giacobina) e neo-positivista d’accatto, in realtà arretrata culturalmente e senza una visione se non quella volta alle ideologie tramontate da decenni, ci condannano a una posizione di retroguardia. Rari e poco finanziati sono i ricercatori che in Italia portano avanti la ricerca sul campo delle energie del futuro. Quelle vere, non quelle che per stare in piedi  hanno bisogno del 55 % dei finanziamenti a carico del popolo italiano.