Il tokamak e il reattore a fusione nucleare

di Vincenzo Rampolla

In russo, tokamak è un dispositivo toroidale, in fisica nucleare è una camera sotto vuoto a forma di ciambella, che contiene ad altissima temperatura un plasma termonucleare di particelle cariche, fortemente reattivo a potenti campi magnetici che lo confinano lontano dalle pareti.

Cos’è il confinamento magnetico? In natura non esistono materiali capaci di operare a tali condizioni estreme (fino a 200.000 volte il campo magnetico terrestre e a 100 M°C) e le particelle non sono libere in moto  nella  ciambella, ma devono restare vincolate alle traiettorie a spirale del campo magnetico.

Scienziati e ingegneri di tutto il mondo, barricati a Cadarache nel sud della Francia, arrancano per costruire quello che dicono sarà il più grande reattore a fusione nucleare del mondo.

Grandeur francaise… Nel cuore della Provenza, brillanti menti scientifiche del pianeta  già da una ventina di anni sono prese dalla smania di dimostrare scientificamente, una volta per tutte, che ce l’hanno fatta: riprodurre su scala industriale la fusione nucleare.

Stiamo fabbricando forse la macchina più complessa mai progettata, ammette L.Coblentz, responsabile delle comunicazioni di ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), progetto siglato a Parigi nel 2006 tra Usa, UE, Russia, Cina, India e Corea del Sud.

In un certo senso, è quasi un Laboratorio Nazionale, una grande struttura di un Istituto di ricerca, insieme ai laboratori  di 35 Paesi.Quella che gli ingegneri stanno costruendo sarà la più grande camera tokamak, fonte della green energy.

Dopo i test condotti nell’Experimental Advanced Superconducting Tokamak (fusione di 20 min) e al Joint European Torus (guadagno netto nel 1997 di 59 MW in un singolo esperimento), la tecnologia di un reattore nucleare è avanzata e in continua evoluzione.

E cos’è la fusione nucleare? Il primo pensiero dell’uomo è andato all’osservazione della Natura. La fusione è la fonte di energia delle stelle, tra cui il Sole, in cui il gas caldo del plasma è mantenuto confinato e compatto dalla forza di gravità; il processo di fusione dei nuclei atomici è invece il meccanismo alla base della stessa emissione di luce e del mantenimento costante della loro dimensione, impedendone il collasso gravitazionale.

Ora, in chimica nucleare e in fisica nucleare, la fusione nucleare è una reazione in cui i nuclei di 2 o più atomi si uniscono tra loro formando il nucleo di un nuovo elemento chimico. Per attivare la fusione, i nuclei devono essere molto vicino tra loro e richiedono una grande energia (detta soglia) per superarne la repulsione elettromagnetica.

La fusione degli elementi chimici inferiori è una reazione esotermica, cioè emette energia, poiché il nucleo prodotto dalla reazione ha massa minore della somma delle masse dei nuclei reagenti. Per gli atomi con numeri atomici superiori è invece una reazione endotermica, cioè assorbe energia. In alcune reazioni, soprattutto quelle con una soglia più bassa, si liberano neutroni e ciò ha incuriosito al massimo gli scienziati: sfruttare la potenza dei neutroni come fonte di energia e sfidare i problemi tecnologici della loro attivazione e della protezione dai loro effetti.

Nella (termo)fusione inucleare il principio di funzionamento di un reattore prevede semplicemente che le particelle cariche siano confinate all’interno della camera tokamak e simultaneamente vengano prodotti neutroni altamente energetici che sfuggono e colpiscono le pareti della camera, trasferiscono loro  energia, riscaldano l’acqua che scorre schermata dalla parete e sfruttano l’energia del vapore risultante che aziona una turbina, anello finale dell’impianto che genera il fabbisogno di green energy richiesto.

Ci siamo… obiettivo raggiunto. Non resta che mettere in funzione un reattore a fusione.

Il reattore a fusione riproduce in laboratorio un processo analogo a quello che regge il Sole (temperatura esterna 5.500 °C e interna 15 M°C) con la fusione di nuclei di idrogeno. Per ricreare la fusione controllata viene selezionata una miscela di elementi più leggeri dell’idrogeno, come il  Deuterio e  il Trizio (isotopi dell’Idrogeno, in pratica D e T) che reagisce a temperature e pressioni molto inferiori rispetto all’idrogeno.

Per questo sono stati scelti come combustibile per il primo reattore a fusione: si attiva il loro scontro e si fondono trasformandosi in Elio (in pratica E), gas leggero, inerte e elemento non nocivo. Nel processo viene prodotta un’enorme quantità di energia neutronica. Il plasma attivato, deve essere confinato in uno spazio limitato ed è necessario riscaldarlo a temperature molto più elevate di quelle solari e per un tempo brevissimo (almeno 5 sec). Perchè? Il tutto per compensare l’energia liberata dalle reazioni di fusione: tra l’energia di soglia richiesta per la fusione e le perdite di energia, il bilancio energetico deve essere  positivo.

D è un isotopo dell’Idrogeno molto comune, presente nell’acqua di mare (da 30 l d’acqua si estrae 1gr di D). Il T, elemento debolmente radioattivo (decade in circa 12 anni), non esiste in natura ma si può ricavare direttamente dal reattore, con una reazione con il Litio. Anche il Litio è abbondante nelle rocce. Si osserva che 1 g di D, quando è sottoposto alla reazione di fusione, produce una quantità di energia pari a quella di combustione di 11 ton di carbone. Il prodotto della reazione di fusione è l’Elio + neutroni, quindi un reattore a fusione, rispetto alle centrali convenzionali a fissione, non produce CO₂, né fumi tossici né scorie.

Affinché D e T si scontrino bisogna fornire molta energia alle particelle. Un metodo per ottenere questa energia è il riscaldamento. Facendo attraversare il plasma da una corrente elettrica si riesce a scaldarlo fino a circa 10 M°C. Una volta che il plasma si è formato, si può continuare a riscaldarlo con microonde o iniettando particelle energetiche non cariche, con uno speciale acceleratore.

Per mantenere il calore del plasma è necessario applicare sempre un flusso di energia. Arrivati alla soglia, la temperatura a cui le reazioni di fusione avvengono, le reazioni stesse producono gran parte dell’energia necessaria a mantenere il plasma alla temperatura voluta. A reattore avviato, in genere si deve erogare solo il 10-30% dell’energia che serve per mantenere la temperatura del plasma. Occorre infine che il plasma conservi l’energia che gli viene fornita. Allo scopo interviene il parametro tempo di confinamento dell’energia (ECT): se il reattore ha un ECT elevato, servirà poca potenza per riscaldarlo; se l’ECT è basso, ci vorrà molta energia per mantenere attiva la temperatura del plasma e tenere in vita il plasma stesso.

 

La piena efficienza dell’impianto è strettamente legata all’analisi delle criticità del reattore e dei limiti dei campi magnetici. La bontà dell’isolamento dipende in primis dal limite del campo magnetico. Il plasma è un gas composto di particelle cariche, isolato dall’ambiente esterno dal campo magnetico che lo contiene.   Poiché l’energia del plasma è legata all’energia di moto delle sue componenti, se il campo magnetico è forte quanto basta, può anche trattenere l’energia, ovvero il calore interno del plasma. Allo scopo servono i limiti dei campi magnetici molto intensi, pur essendoci un limite all’intensità applicabile. Tecnicamente si possono produrre campi fino a 12 Tesla, circa 200.000 volte il campo magnetico terrestre.

Una volta assegnato un dato valore al campo magnetico, per accrescere il tempo di confinamento si può aumentare il volume del plasma. Il plasma deve però rispettare un limite di equilibrio in una determinata posizione, per evitare il contatto con le pareti del reattore, subendo un improvviso abbassamento di temperatura e la conseguente dissoluzione. Si calcola che nei reattori di prossima generazione venga definito anche un limite di volume toroidale del plasma. con diametro del raggio minore di circa 2m. Il reattore dovrà avere diametro di circa 6-8 m, altezza di 12-15 m e capienza di 1.000-1.200 m³, anche se una serie di più reattori di dimensione inferiore potrebbe giovare, per pianificare correttamente i periodi di manutenzione.

Per un dato valore della corrente di plasma, la densità delle particelle non può eccedere un certo limite, crescente all’aumentare della corrente; superato il limite di densità, il plasma tende a sviluppare instabilità che ne provoca lo spegnimento. Anche per un dato valore del campo magnetico, la corrente di plasma che può essere indotta ha un limite di corrente superiore non valicabile e che cresce con l’aumentare del campo magnetico. Superato tale limite, il plasma sviluppa instabilità molto rapide che ne provocano lo spegnimento.

A questo si aggiunge il limite di pressione del plasma che interviene come valore della massima pressione del plasma per un dato valore del campo magnetico; superato il limite, la forma del plasma tende a deformarsi macroscopicamente e a spegnersi velocemente. Il limite di spazio infine condiziona il completo range di valori dei parametri che rendono operativa una camera tokamak, limiti tassativi imposti fin dalla fase pre-progettuale di un reattore a fusione, non superabili per garantire l’efficienza globale dell’impianto. Oltre questi limiti il plasma cesserà di esistere.

Nel progetto francese ITER, la camera tokamak che contiene il plasma è pari a 800 m³, il plasma resiste a temperature di 150 M°C, ha una massa di 8.000 ton, è inserita in una struttura colossale di 23.000 ton, raggio esterno del plasma 6,2m, raggio interno 2m, con enorme consumo di corrente continua e alternata (400 MW) per raffreddare volumi di impianti di 16.000 m³. Ricorda certi antichi mostri, passati alla storia.

La sfida della fusione è strettamente connessa all’estrema difficoltà per costruire i reattori nucleari e per portare il plasma a temperature eccezionali, processo difficile, complesso e molto costoso. È su questo che ITER deve fare i conti. Il 2025 era pianificato per il primo plasma, mentre la messa in funzione completa del sistema era per il 2035. Sono intervenute battute d’arresto della disponibilità dei componenti e ritardi legati alla crisi sanitaria globale che hanno dilatato il budget e i tempi di messa in opera del sistema.

La stima di €5 Mld di costi iniziali del progetto si è quadruplicata, fino a superare €20 Mld e il collaudo finale è tuttora incerto. Coblentz attribuisce difficoltà e criticità al fatto che la fusione nucleare sia un sogno comune, da generazioni in attesa di vedere la luce. E la possibilità concreta di ottenere energia da fusione è ancora lontana, con la stessa Direzione di ITER che ammette che il progetto ha una realtà solo nel lungo termine. Provocato in un’intervista con la domanda: E se ci fosse un innalzamento del livello del mare tale da richiedere il consumo di energia per spostare le città? Banale è stata la sua reazione: Non esageriamo. La cosa più intelligente è agire e sbrigarsi per averla il prima possibile.

Dopo due decenni, parole, parole, parole…

Nel frattempo fisici e ingegneri europei e italiani di Eurofusion lavorano indefessamente sull’impianto europeo Jet, esperienza leader a livello mondiale basata a Oxford, UK. Ottengono un livello record di energia da fusione nucleare, pari a 59 MW. In tutta Europa, 4.800 persone collaborano al progetto cofinanziato dalla CE e che ha visto una forte partecipazione italiana, coordinata da ENEA (Ente Nazionale per le Nuove Energie).

Paola Batistoni, responsabile dello sviluppo fusione,  dichiara  a Euronews: La presenza dei ricercatori italiani è stata costante, anche in ruoli di coordinamento e ha riguardato tutte le fasi della campagna, dalla progettazione all’esecuzione degli esperimenti. Siamo sulla strada giusta verso un mondo in cui l’energia da fusione potrà giocare un ruolo importante. 

Tony Donné, Program Manager di Eurofusion, ha aggiunto: Se riusciamo a mantenere la fusione per 5 secondi, potremo farlo per 5 minuti e poi per 5 ore. Risultato incoraggiante, alla luce delle potenzialità di questo tipo di energia.

Anche gli Usa stanno sperimentando la fusione nucleare. Hanno intrapreso i primi passi verso una fonte di energia pulita che potrebbe rivoluzionare il mondo. È così che il Dipartimento Usa per l’Energia saluta il super risultato della California. Non è la prima volta che accade, ma il fatto che sia accaduto anche in un laboratorio californiano conferma la fiducia che la strada percorsa sia quella giusta, ha detto J.Granholm, Segretaria al Dipartimento che ha annunciato la svolta Usa sulla fusione nucleare, precisando che anche nel caso americano la reazione ha generato più energia di quella necessaria per innescarla (criticità zero).

Con il confinamento magnetico sono stati generati circa 25 MW di energia, utilizzando un impulso laser di poco più di 20 MW. Dopo l’esperimento californiano, Kim Budil, Direttrice del LLN (Lawrence Livermore National Laboratory ), sede del test, ha però precisato: Ci sono ostacoli e molto importanti, a livello scientifico e tecnologico. Si è trattato dell’accensione, una sola volta, di una “capsula”, ma per ottenere l’energia commerciale da fusione ci vuole ben altro.  Solo con sforzi e investimenti concertati e alcuni decenni di ricerca sulle tecnologie necessarie, saremo in grado di costruire una centrale.

La Direttrice non demorde. Il 5 dicembre 2022 i ricercatori della National Ignition Facility, presso il laboratorio del LLN hanno realizzato per la prima volta una fusione a confinamento con bilancio energetico positivo:  2,05 MW  utilizzati per bombardare una capsula contenente D e T, hanno generato 3,15 MW di energia. Eureka! Per alimentare i 192 laser utilizzati nell’impianto è stata però consumata energia elettrica pari a 300 MW! Risultato positivo e inquietante, con  bilancio energetico totale fortemente negativo.

Altri decenni di attesa potranno forse ridursi a un solo decennio? Chissà?