Cadarache: dove si costruisce il futuro

In una vasta spianata vicino la cittadina di Cadarache in Francia discretamente, tra il silenzio della stampa e dei midia, si sta portando avanti il tentativo di dare una risposta al futuro del pianeta, una vera rivoluzione in campo energetico che avrà –in caso di successo- ripercussioni su tutti gli aspetti della vita sulla Terra . I progetti sono pronti, le ruspe hanno cominciato il lavoro e già le prime strutture di cemento e metallo stanno occupando il grande scavo che ospiterà le fondamenta del megaimpianto denominato ITER che accenderà verso il 2025 il primo sole artificiale sul nostro pianeta. Si tratta ancora di un prototipo, ma destinato ad essere il modello dei futuri reattori che verranno prodotti su scala industriale. L’energia generata dal reattore a fusione nucleare di Iter sarà completamente priva di emissioni di carbonio, il gas prodotto dalle combustioni di idrocarburi che sta portando al surriscaldamento dell’atmosfera terrestre. Questo potrà essere un contributo fondamentale per salvare il pianeta dal global warming. La fusione è sicura dal punto di vista del rischio radioattivo: non ci saranno emissioni se non alcuni sottoprodotti con breve durata e rapido smaltimento mediante riutilizzo nel ciclo di fusione (trizio), non ci sarà necessità di smaltimento di scorie nucleari come avviene con le centrali a fissione. Il combustibile (isotopi dell’idrogeno  deuterio e trizio,  estratti dall’acqua di mare)  è inesauribile e in grado di soddisfare le esigenze energetiche di   otto-nove  miliardi di umani per molti secoli.  La Francia è all’avanguardia nelle nuove tecnologie della Fusione, e oltre alla centrale in costruzione di Cadarache (frutto della collaborazione di 34 paesi tra cui Usa, Germania, Inghilterra, Cina, Russia, India e Giappone) è in avanzata costruzione a Bordeaux  una centrale a Laser (Laser-Megajoule) che ha un diverso sistema di innesco della reazione di fusione. A Bordeaux si utilizza un sistema multiplo di Laser allo Xenon che vanno a surriscaldare un cilindro di  di un metallo speciale ( noto come hohlraum). Il cilindro colpito dal flash-laser emana raggi x in maniera esplosiva innescando la reazione a fusione nella cella contenente Deuterio-Trizio. L’anno prossimo si dovrebbe sperimentare per la prima volta la reazione di innesco della fusione. Di fronte all’attivismo della Francia nel campo della fusione, l’Italia fa la solita figura di mediocrità. Con una consolazione: i sistemi ingegneristici e la costruzione dei giganteschi magneti che nel reattore di Cadarache hanno il compito di isolare il plasma al centro della camera toroidale di reazione, sono stati studiati e progettati in Italia e verranno prodotti nel nostro paese.

Ci sono due modi per affrontare il destino del pianeta e si possono riassumere in due parole: limiti e tecnologia. Servono nuovi limiti che riportino lo sviluppo in parametri sostenibili per l’ambiente. Servono limiti alle attività umane e alla demografia. Ma questo non basta a salvare la Terra: prima che questi limiti siano operativi potrebbe essere troppo tardi. Ci vuole anche tecnologia, ricerca, scienza che crei le condizioni per accontentare la richiesta di benessere della specie umana e allo stesso tempo salvaguardare l’ambiente. La fusione è la nuova tecnologia che ci permetterà di avere energia pulita, inesauribile, senza emissioni di carbonio, capace di sostenere miliardi di umani fino al momento in cui sarà possibile rientrare, come specie umana, in un rapporto equilibrato con la natura e con tutte le altre specie viventi.

Sul modo in cui funzionerà il sistema in costruzione a Cadarache riporto il seguente articolo del Professor Henry Greenside del Dipartimento di Fisica della Duke University di Durham (GB), apparso sulla rivista ufficiale del Dipartimento: “Duke Physics” la scorsa primavera. (Traduzione personale).

“La specie umana è attualmente di fronte alla sfida tecnologica di produrre energia sufficiente per sostenere una crescente popolazione di oltre sette miliardi di persone , evitando la produzione di rifiuti pericolosi ( come il mercurio , particelle gassose e piogge acide , particelle carboniose , o rifiuti radioattivi di lunga durata come quelli da reattori nucleari a fissione ) e di biossido di carbonio ( da combustione di carbone, petrolio o gas naturale , che provoca il riscaldamento globale della Terra per l'effetto serra ). Il problema che abbiamo di fronte è quello di sviluppare una tecnologia  che  permetta al pianeta di utilizzare l’energia necessaria al sostentamento della popolazione mondiale in maniera  sostenibile nel corso di centinaia di anni , in maniera di   fornire il tempo sufficiente per portare la popolazione mondiale sotto controllo . L’energia in questione dovrà essere   accessibile   ed economica per tutti i paesi , al fine di evitare l'instabilità politica causata da pochi paesi che possiedono le risorse chiave di energia, come avviene oggi con il petrolio e il gas .

Un modo promettente per risolvere tutti i problemi di cui sopra è di generare energia dalla fusione dei nuclei a carica positiva dell'idrogeno, in particolare con gli isotopi deuterio e trizio . Il deuterio   disponibile negli oceani è sufficiente a sostenere una popolazione di otto o più miliardi di persone per migliaia di anni , ed i prodotti di scarto di un reattore a fusione sono piccole quantità di gas elio (che è inerte e quindi innocua ) , modeste quantità di sostanze radioattive a vita breve e calore che viene utilizzato per generare elettricità . I reattori a fusione non possono subire una melt -down come un reattore a fissione , e inoltre i reattori a fusione non producono scorie nucleari che possano essere usati per costruire armi nucleari.

Costruire un dispositivo di fusione è una grande sfida scientifica e tecnologica , che attinge a tutte le aree della fisica , ma soprattutto  si avvale di nuove idee e progetti  relativi a campi elettrici e magnetici di alta intensità. L'idea è quella di utilizzare magneti superconduttori ultrafreddi ( a circa dieci gradi sopra lo zero assoluto ) per generare forti campi magnetici che agiscono come una " bottiglia " per confinare un   plasma di deuterio ultrariscaldato ( 300.000.000 K! ) carico con deuterio e nuclei di trizio in una regione toroidale così che i nuclei , attraverso le loro grandi velocità , siano in grado di superare la loro repulsione elettrica e subire reazioni di fusione per la produzione di calore. Vengono prodotti anche neutroni energetici che si muovono a velocità ancora più elevate e la cui energia, estratta al contatto con la camera di contenimento, viene utilizzata per implementare la temperatura interna del plasma . L'energia termica  viene usata per riscaldare l'acqua e produrre vapore che aziona delle turbine per generare l' energia elettrica utilizzata dalle persone e dall'industria. L' energia elettrica è prodotta mediante una delle leggi fondamentali della elettrodinamica , la legge di Faraday , che descrive matematicamente come un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico , che genera a sua volta correnti elettriche in fili conduttori.

La sfida per produrre il riscaldamento di un gas inizialmente a temperatura ambiente di idrogeno fino a portarlo  a 300.000.000 K , richiede molteplici applicazioni di idee tratte dalle leggi della fisica: usando la legge di Faraday per creare un enorme   corrente elettrica per avviare il riscaldamento del plasma , usando microonde ad alta intensità che sono accordate a frequenze di risonanza di elettroni e nuclei per potenziare la reazione , e utilizzando campi elettrici per accelerare nuclei di deuterio e trizio vicino alla velocità della luce , e poi utilizzando i neutroni ad alta energia generatisi dalla reazione  all’interno del  plasma per riscaldare ulteriormente il plasma e alimentarla . Per controllare tutto il sistema è necessaria la misura dei campi elettrici e magnetici del plasma mediante vari dispositivi che forniscono informazioni istantanee  importanti su ciò il plasma sta facendo quando viene sottoposto alla reazione di fusione. La stabilità del sistema è elemento fondamentale per consentire l’utilizzo industriale della pila a fusione. Su questo punto, su quanto impiegheremo ad ottenerla con sicurezza, si gioca il tempo necessario a che l’umanità si giovi della nuova energia pulita e praticamente illimitata.

Nonostante l'enorme interesse per la fusione e, nonostante una collaborazione mondiale che dura da oltre 50 anni e che è costata decine di miliardi di dollari , un reattore in grado di lavorare in maniera utilizzabile non è ancora stato progettato con successo . La difficoltà principale da cui deriva questo ritardo consiste ancora in un problema fisico : il rapido movimento dei nuclei ed elettroni ( questi ultimi si muovono a circa un centesimo della velocità della luce !) costituisce una corrente elettrica che col suo moto crea un campo magnetico ad alta intensità. Questo campo , quando combinato con il campo magnetico generato dai magneti superconduttori esterni , può generare instabilità che vanno a formare "buchi " (zone non omogenee) nel plasma confinato nella camera di reazione che causa fuoriuscite di plasma  dall’isolamento magnetico entro pochi microsecondi , portando la fusione a fermarsi . Si tratta di un problema estremamente difficile dal punto di vista fisico e matematico in quanto si tratta di  stabilire come regolare le centinaia di magneti in tempo reale per compensare il campo magnetico generato dalle dinamiche   complesse del plasma  e per mantenerlo  omogeneo e  confinato per la continuità della generazione di energia.

Un gruppo di ricercatori dell’istituto EPFL, di Losanna, hanno recentemente pubblicato un loro interessantissimo risultato sulla rivista Nature, in cui hanno esposto un metodo per eliminare le instabilità del plasma non appena essere vengono generate, impedendogli così di propagarsi. L’idea è di utilizzare delle antenne che emettono radiazione elettromagnetica nella direzione esatta dell’instabilità, eliminandola non appena si forma. La loro idea si è rivelata di grande successo, quando applicata a uno dei più grandi reattori attualmente esistenti, il JET (Joint European Torus). Il prossimo passo sarà quello di costruire un rivelatore in grado di monitorare per lungo tempo e in modo costante le condizioni del plasma in tempo reale, in modo da poter focalizzare l’antenna elettromagnetica in maniera ancora più efficiente. Gli ingegneri sono già al lavoro per preparare il sistema e inserirlo nel reattore in costruzione a Cadarache. Il 2025 quando ci sarà la prima accensione “a regime” dovremo sapere se l’umanità potrà chiudere con l’era dei combustibili fossili e avviarsi ad un futuro più sicuro per se stessa e per il pianeta.

(Articolo tratto dalla rivista scientifica “Duke Physics” –maggio 2013)