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La fusione nucleare arriverà, ma dopo che avremo già decarbonizzato la nostra economia

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Sono stati prodotti 59 megajoule di energia, in un processo di fusione nucleare nel tokamak, cioè una camera toroidale magnetica, del Joint European Torus (JET), battendo il record del 1997 di 21,7 megajoule. Qui l’annuncio ufficiale. Vediamo nel dettaglio i risultati dell’esperimento e i possibili sviluppi futuri.

Cosa è stato ottenuto?

Qui sotto un breve video del New Scientist dove si possono anche vedere i momenti della fusione.

Come raccontano Nature e l’ENEA, in un esperimento del 21 dicembre 2021, presso la sede della UK Atomic Energy Authority (UKAEA), il tokamak del JET ha prodotto 59 megajoule di energia in un intervallo di tempo di circa cinque secondi, tramite fusione nucleare. La potenza di fusione media è stata di circa 11 megawatt. Il gruppo che ha collaborato per raggiungere questo risultato è composto da fisici e ingegneri di EUROfusion, un consorzio di 30 organizzazioni di ricerca, tra cui università e aziende, di 25 paesi europei, inglesi, svizzeri e ucraini.

Per capirci, 59 megajoule equivalgono a circa 16 chilowattora, cioè più o meno l’energia che consuma un’auto elettrica tra quelle oggi in commercio per fare 100 chilometri. Uno stadio ne consuma molta di più durante una partita di un’ora e mezzo, circa 25mila chilowattora. Una famiglia italiana consuma in media all’anno un po’ più di duemila chilowattora.

Daniela Farina, Direttrice dell’Istituto per la Scienza e Tecnologia dei Plasmi (ISTP) del CNR, che abbiamo contattato, sostiene che «questo è un importante risultato sul piano sia scientifico sia tecnologico, frutto di un programma condotto da tutta la comunità scientifica europea. Dimostra per la prima volta che siamo in grado di produrre e mantenere reazioni di fusione con lo stesso combustibile (Deutero-Trizio) in condizioni simili a quelle che saranno verificate nei futuri reattori a fusione». L’utilizzo di un combustibile al trizio produce infatti molta più energia quando si fonde con il deuterio, rispetto a una fusione operata solo con quest’ultimo.

L’esperimento analogo condotto nel 1997 detiene ancora la potenza di picco pari a 16 megawatt, ma con una potenza media meno della metà di quella di oggi, dice Fernanda Rimini del Culham Centre for Fusion Energy a Nature, che ha supervisionato l'ultima campagna sperimentale. In circa vent’anni, infatti, ci sono stati una notevole ottimizzazione sperimentale, vari aggiornamenti dell’impiantistica e, come ci racconta Daniela Farina «anche un potente sviluppo di alta tecnologia in settori di punta, per esempio sui materiali avanzati, sul remote-handling, sulle tecnologie del trizio, e così via». E inoltre, «i risultati sperimentali ottenuti confermano le teorie e le simulazioni numeriche rendendoci così confidenti di poter progettare e operare i futuri esperimenti».

Come funziona la fusione nucleare?

E perché conviene energeticamente rispetto alla fissione? Per capirlo bisogna guardare all’energia di legame dei nuclei atomici, detta anche interazione forte. Questa è quell’energia che serve per tenere uniti protoni e neutroni (i nucleoni) nel nucleo atomico, e che è molto più elevata dell’energia che serve a far “orbitare” gli elettroni attorno al nucleo, che a sua volta è maggiore dell’energia che tiene uniti gli atomi per formare le molecole e così via fino all’energia gravitazionale.

fissione e fusione nucleare

Immagine da Wikimedia Commons: una delle varie rappresentazioni grafiche dell’energia di legame dei possibili nuclei atomici. In ascissa il numero di massa, cioè il numero di nucleoni nel nucleo, in ordinata il valore medio dell’energia di legame per nucleoni (in MeV, megaelettronvolt).

L’energia di legame, come si vede dall’immagine, cresce molto velocemente passando dai nuclei più leggeri a quelli più pesanti, fino a un picco attorno al ferro – di circa 9 megaelettronvolt – per poi scendere dolcemente via via che i nuclei diventano sempre più pesanti. Quando si bombarda un nucleo di uranio-235 con dei neutroni, il nucleo si divide in un nucleo di kripton e un nucleo di bario. Essendo il kripton e il bario più leggeri dell’uranio, ma più pesanti del ferro, si ottiene energia. Quando invece si fondono i due isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, si ottiene un elio-4. Come si può vedere dall’immagine, l’energia di legame dell’elio-4 (He4) è molto maggiore di quella di deuterio (H2) e trizio (H3), e questa differenza è molto più elevata della differenza di energia di legame tra uranio e kripton/bario. La fusione nucleare, quindi, a parità di numero di nuclei atomici usati, produce molta più energia rispetto alla fissione.

Un altro vantaggio della fusione è che l’idrogeno – e quindi i suoi isotopi – è molto più semplice da reperire rispetto all’uranio-235. In natura, infatti, è enormemente più presente l’uranio-238 (che non è fissile), che viene pertanto arricchito con l’uranio-235, per esempio al 3% (nelle bombe atomiche si arriva al 90%). Quello che succede inoltre è che durante la fissione, i nuclei di uranio-238 presenti assorbono neutroni (contribuendo a rallentare la reazione a catena) e si trasformano in uranio-239, che poi decade in plutonio-239, il quale, avendo un tempo di decadimento estremamente elevato, emette radiazioni pericolose per la salute umana. Nella fusione nucleare, questo problema sostanzialmente non c’è.

Negli anni si è studiato perché l’energia di legame avesse l’andamento che si vede nell’immagine e tra le cause c’è anche la natura “a corto raggio” dell’interazione forte: il suo raggio d’azione è infatti limitato all’ordine di grandezza di 10-15 metri. Quindi, per fondere due nuclei bisogna avvicinarli molto, e questo lo si ottiene usando temperature elevatissime, fino a 100 milioni di gradi – molto più caldo del centro del Sole. Ecco qual è probabilmente il principale problema della fusione nucleare: fino a quando l’energia prodotta non supera quella usata per ottenerla, non si avrà il salto tecnologico decisivo.

Gli apparati sperimentali di JET e ITER usano campi magnetici per confinare gli isotopi dell’idrogeno sottoforma di plasma (come inevitabile che sia a quelle temperature). Si usano deuterio e trizio anche perché per fondere idrogeno sarebbero necessarie temperature ancora maggiori.

Per altre informazioni su fissione, fusione e progetti in corso si veda questo riepilogo dello scorso novembre su Nature e questo articolo del consorzio RFX del CNR.

Quanta energia consumiamo al mondo ogni anno?

Per avere un ulteriore metro di paragone tra l’energia prodotta dall’esperimento del JET e quella necessaria a sostentare l’umanità, può essere utile sapere che nel 2020 abbiamo consumato poco più di 27 milioni di Gigawattora (GWh) di energia nel mondo – più di mille miliardi di volte l’energia dell'esperimento del JET. Di cui circa 21 milioni provenienti dai combustibili fossili (carbone, petrolio e gas naturale), poco più di 3 milioni dalle rinnovabili (idroelettrico, geotermico, solare, eolico e biomassa) e poco sopra i 2 milioni dal nucleare elettrico a fissione. Questi i dati secondo la U.S. Energy Information Administration. Qui sotto è possibile osservare l’andamento del consumo di energia primaria per combustibili fossili, rinnovabili, nucleare e totale, espressa in biliardi di Btu (British thermal unit) - in inglese "quadrillion Btu" (1 quadrillion Btu = 293071,083 GWh).

Dati del Monthly Energy Review della U.S. Energy Information Administration. Per quanto riguarda l’energia elettrica, si vedano anche le analisi di Ember.

Che possibilità di sfruttamento per la transizione ecologica al 2050?

Francesco Gnesotto, Presidente del Consorzio RFX, ha detto che «la notizia è di ottimo auspicio per ITER, il successore di JET, che entrerà in funzione tra pochi anni», tuttavia, come scrive Nature, finora nessun esperimento ha generato più energia di quanta ne abbia immessa. Il progetto ITER, da 22 miliardi di dollari, potrebbe essere in grado di raggiungere questo obiettivo, aumentando la superficie magnetica del tokamak rispetto a JET. Su questo è ancora da capire come gestire il calore di scarico del reattore e quindi quale design sia il più ottimale da utilizzare. Ricordiamo che i primi test di ITER sono previsti per il 2025 e la fusione con trizio e deuterio non arriverà probabilmente prima del 2035.

Lo stesso program manager del consorzio EUROfusion Tony Donné, riferisce che ottenere la fusione nucleare per un utilizzo commerciale in un decennio è troppo ottimistico, «le aziende private dicono che la fusione funzionerà in dieci anni, ma è solo per attirare i finanziatori», per quanto le prospettive siano innegabilmente eccitanti. A un sondaggio della Fusion Industry Association, diciotto imprese del settore hanno dichiarato di aver attratto più di 2,4 miliardi di dollari in totale, quasi tutti da investimenti privati. In questo senso, come si legge nello stesso scritto di Nature, chi sostiene la tecnologia della fusione compie un parallelismo con l'industria spaziale: le grandi missioni lunari della metà del secolo scorso sono state trainate dagli stati e dalle agenzie governative, ma ora si iniziano a far sentire sempre più insistentemente i privati, come una “SpaceX per la fusione”, nonostante gli aiuti statali siano ancora cospicui.

«Il mondo sta attualmente cercando di soddisfare gli Accordi di Parigi, non siamo certi sulla possibilità per la fusione di contribuire alla decarbonizzazione entro il 2050», dice Daniela Farina, alla quale abbiamo chiesto quando potremo usare la tecnologia da fusione nucleare su larga scala, e che conclude: «Siamo confidenti che nella seconda metà del secolo la fusione nucleare possa essere la risposta all’atteso incremento di domanda di energia». Un risultato importante quello del tokamak JET, quindi, ma che darà frutti consistenti forse solo successivamente al completo azzeramento netto delle emissioni di gas serra.

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Crediti immagine: Andrew Coelho/Unsplash

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