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L’energia delle stelle

La fusione è un traguardo su cui si sta concentrando la ricerca internazionale. Marco Ripani dell’Infn accompagna Progetto Manager all’interno dei laboratori del futuro

Calore e luce dal sole hanno origine nella “fusione di nuclei leggeri”. Alla base di questo processo nucleare vi è la formazione di un “plasma” a partire da un gas di idrogeno molto caldo, in cui gli elettroni sono strappati via dai nuclei atomici. A temperature di decine di milioni di gradi, due nuclei possono fondere, liberando energia.

Per riprodurre la fusione in laboratorio, è necessario usare il deuterio e il trizio, “fratelli” dell’idrogeno e chimicamente simili ad esso. Anche deuterio e trizio possono fondere, con emissione di radiazione (i cosiddetti neutroni) e un notevole rilascio di energia, ma con più facilità.

Per realizzare la fusione in laboratorio, il plasma dev’essere sufficientemente denso e caldo (a temperature di decine o centinaia di milioni di gradi). Inoltre, il plasma dev’essere “intrappolato”, per non venire a contatto con le pareti dell’impianto e avere il tempo di produrre la fusione e raccoglierne l’energia prodotta. Nella maggior parte degli impianti di ricerca esistenti, questo intrappolamento viene ottenuto mediante potenti campi magnetici. Le pareti dell’impianto devono essere inoltre protette da appositi materiali in grado di reggere la radiazione del plasma caldo ed eventuali contatti accidentali plasma-parete dovuti a instabilità.

Un impianto a fusione produce energia senza emissioni di anidride carbonica, gas inquinanti o polveri sottili. Inoltre, la reazione nucleare di fusione non produce direttamente sostanze radioattive, ma i neutroni emessi colpiscono i materiali strutturali dell’impianto e così facendo possono creare nuclei radioattivi nei materiali stessi. La produzione di rifiuti nucleari è comunque molto inferiore a quella di un impianto nucleare a fissione.

Da più di dieci anni, l’Europa finanzia e supporta la costruzione dell’impianto Iter (International thermonuclear experimental reactor), il più grande progetto al mondo dove testare la fusione nucleare controllata. Il contenitore del plasma ha la forma di un’enorme camera a forma di anello, circondata da gigantesche bobine magnetiche per l’intrappolamento e dotata di una serie di impianti ausiliari per il suo riscaldamento. Uno di questi sistemi utilizza un fascio intenso e veloce di atomi di deuterio da iniettare nel plasma per riscaldarlo, una tecnologia di punta che viene testata in Italia, nel nuovo laboratorio Neutral beam test facility (Nbtf) a Padova.

Iter è una macchina sperimentale che punta innanzitutto a produrre più energia di quella che viene utilizzata per riscaldare e mantenere la fusione nel plasma. Iter punta anche a dimostrare che, utilizzando una diversa reazione nucleare, l’impianto è in grado di autoprodurre il combustibile trizio necessario, non disponibile in natura (a differenza del deuterio). Il primo plasma è atteso nel 2025, mentre il raggiungimento di condizioni di fusione con miscela di deuterio-trizio è previsto nel 2035. Il passo successivo sarà la costruzione della prima centrale a fusione: Demo (Demonstrating fusion power reactor), in grado di produrre energia elettrica, prevista per gli anni cinquanta

Vi è anche la necessità di sviluppare materiali in grado di sostenere l’elevato flusso neutronico. Per questo è stato proposto di realizzare Ifmif (International fusion material irradiation facility), un laboratorio dove si possano riprodurre le condizioni gravose determinate dalla fusione. A tale progetto l’Italia dà un importante contributo tecnico-scientifico con la realizzazione di un prototipo in corso di assemblaggio e test a Rokkasho (Giappone). L’Europa ha inoltre proposto di costruire una versione intermedia dell’impianto, chiamata Ifmif-Dones, la cui realizzazione dovrebbe avvenire in Spagna.

I benefici del programma Iter per l’Italia sono straordinari: circa il 40% del valore delle commesse europee per la produzione della componentistica ad alto contenuto tecnologico è andato all’industria nazionale, che si è aggiudicata, in pochi anni, contratti per circa un miliardo di euro, oltre a 200 milioni di contratti da parte della Iter organization. Nel caso particolare della Nbtf e del futuro analogo impianto per Iter, la percentuale di commesse europee vinte da ditte italiane è pari al 56%, per un totale di oltre 90 milioni di euro.

Con il programma Iter, l’industria italiana si è aggiudicata commesse europee per circa un miliardo di euro, oltre a 200 milioni dei contratti da parte della Iter organization

La costruzione di componenti e sottosistemi di Ifmif è stata quasi interamente svolta nell’ambito dell’industria italiana, con commesse per lavorazioni di alta precisione, processi speciali e inoltre componenti, sistemi e controlli ad alto contenuto tecnologico.

Infine, in Italia, a Frascati, si sta costruendo l’impianto Dtt (Divertor tokamak test), un impianto dedicato alla sperimentazione di varie soluzioni per estrarre calore residuo e ceneri, da applicare al futuro Demo. Oltre al notevole successo nell’ottenimento di un finanziamento di 250 milioni di euro dalla Banca europea per gli investimenti (Bei), vanno sottolineati anche qui i benefici per l’industria nazionale. Infatti, aziende italiane si sono già aggiudicate importanti commesse per un totale di circa 55 milioni di euro.