Portiamo il sole sulla terra

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Dalla Weltwoche del 5.01.2023 un articolo di Beat Gygi

Beat Gygi

La fusione nucleare sta festeggiando una svolta. Il sogno di un’energia inesauribile diventerà presto realtà? Il fisico Frank Jenko ci spiega cosa sta succedendo sul fronte della ricerca.

La notizia è arrivata poco prima di Natale: la National Ignition Facility (NIF) del Lawrence Livermore National Lab in California è riuscita a realizzare per la prima volta la fusione nucleare, liberando più energia di quella immessa. Netto plus per la prima volta – molti festeggiano euforicamente questa svolta, come un enorme passo avanti verso un’energia quasi inesauribile. Le alte aspettative sono giustificate? Lo chiediamo a Frank Jenko, che è all’avanguardia nella ricerca sulla fusione.

Jenko è direttore del Max Planck Institute for Plasma Physics di Garching, vicino a Monaco, e dirige il Dipartimento della Teoria dei Tokamak. È anche professore onorario di fisica computazionale presso l’Università tecnica di Monaco. Nel suo ruolo di software cracker, supporta gli esperimenti in loco e in tutto il mondo, utilizzando come strumenti di lavoro i computer più veloci del mondo, che attualmente gestiscono un milione per un milione per  un milione di operazioni di calcolo al secondo. La sua ricerca si concentra sulla simulazione al computer dei complessi processi che avvengono in un plasma di fusione. Ciò consente in parte di evitare esperimenti lunghi e costosi, ma anche di risparmiare tempo.

 

 

Cento milioni di gradi

Vede Jenko un motivo di euforia sfrenata dopo il successo negli USA? «Questo risultato impressionante è senza dubbio una pietra miliare nella ricerca sulla fusione», ha dichiarato. «Per la prima volta, una miscela di combustibile composta da isotopi dell’idrogeno, deuterio e trizio, ha prodotto più energia di fusione di quella che le è stata fornita». Sono quindi giustificati titoli come «Energia illimitata per tutti»? Stiamo virtualmente portando il sole sulla terra con il reattore a fusione? Jenko: «Sì, questa è l’idea di fondo: portare il sole sulla terra. Questo riaccende la speranza di realizzare un vecchio sogno della ricerca nucleare: una centrale a fusione che, come il nostro sole, generi energia dalla fusione di nuclei atomici leggeri. L’energia di fusione è una delle poche opzioni per fornire enormi quantità di energia senza rilasciare CO2 dannosa per il clima – e in un modo intrinsecamente sicuro».

Come funziona la fusione nucleare, spiegata nel modo più semplice possibile? «Quando i nuclei atomici leggeri si fondono, viene rilasciata molta energia, diversi milioni di volte in più rispetto alla combustione del carbone. Tuttavia, per rendere possibile la fusione è necessario superare la repulsione elettrostatica dei nuclei atomici. Questo avviene a temperature di circa cento milioni di gradi. Il grande calore significa che i nuclei atomici si muovono molto velocemente. Questo dà loro l’energia sufficiente per continuare ad avvicinarsi l’uno all’altro. Nel processo, si ha a che fare con un gas ionizzato, cioè un plasma, il quarto stato della materia oltre a quello solido, liquido e gassoso».

O più concretamente: si avvicinano due nuclei atomici, di varianti pesanti dell’idrogeno (un nucleo di deuterio e un nucleo di trizio), vicini al punto che, nonostante la loro repulsione elettrostatica, si fondono per formare un nucleo di elio. Questo richiede molta energia, ma la fusione ne rilascia molta di più. Ecco come funziona la centrale elettrica simile al sole. Jenko precisa: «In pratica, si utilizzano deuterio e trizio, due varianti pesanti dell’idrogeno, che si fondono in elio e producono un neutrone ricco di energia. Quest’ultimo può essere utilizzato per generare elettricità». Questo lascia il plasma e colpisce la parete circostante, che viene riscaldata. Con un circuito di raffreddamento si azionano quindi delle turbine con i generatori di elettricità.

Come si può ottenere l’incredibile effetto energetico in loco? Jenko cita due approcci favoriti: il primo, il cosiddetto confinamento magnetico, in cui un plasma a cento milioni di gradi viene tenuto insieme da un campo magnetico (non esiste un recipiente che possa sopportare questo calore). Queste costruzioni sono chiamate tokamak o stellarator. Secondo Jenko, questa strategia viene perseguita nell’ITER, un reattore sperimentale a fusione nucleare attualmente in costruzione in Francia: lì, i nuclei di idrogeno saranno fusi in una grande camera del reattore a un calore estremo di circa 150 milioni di gradi.

Jenko è uno specialista della teoria dei tokamak ed è quindi impegnato nella variante magnetica. In secondo luogo, oltre a quello magnetico, c’è il confinamento inerziale, in cui i nuclei di idrogeno sono posizionati, per così dire, in piccole sfere che vengono bombardate dall’esterno con potenti fasci laser, in modo da farli implodere e raggiungere una densità mille volte maggiore. Così funziona l’esperimento NIF in California, da cui proviene l’ultimo messaggio di successo. Questo successo deve essere tuttavia relativizzato nella misura in cui l’apporto totale di energia utilizzata è stato ancora superiore alla produzione, se si considerano tutte le fonti dell’intera struttura.

Trascurato nella promozione

C’è una gara tra i gruppi di ricerca? Jenko: «In un certo senso sì, e lo vedo come un fatto positivo. Analogamente allo sport, stimola le prestazioni di punta in modo sano. E forse alla fine ci sarà più di un modo per utilizzare l’energia da fusione». Quindi non unire le forze in tutto il mondo per ottenere il massimo progresso? «Come per molti altri sviluppi tecnologici, può valere la pena perseguire diverse strade per raggiungere l’obiettivo, soprattutto se non è del tutto chiaro quali siano in definitiva le migliori».

L’input con cui si alimenta un reattore a fusione è davvero così economico e abbondantemente disponibile come spesso si sente dire? Jenko: «È necessario il deuterio, che è abbondante negli oceani del mondo, e il trizio, che può essere prodotto con l’aiuto del litio. Con le materie prime ricavate da una vasca da bagno piena d’acqua e da una batteria consumata di un laptop, si potrebbe fornire elettricità a una famiglia per decenni.»

Sono urgentemente necessarie nuove fonti energetiche. Jenko cita calcoli secondo i quali la domanda globale di elettricità quadruplicherà entro la fine del secolo. «Soddisfare questa domanda è una sfida gigantesca per l’umanità. Credo che dovremmo perseguire tutte le opzioni possibili con pieno impegno». Molti studi hanno dimostrato che l’energia da fusione potrebbe integrare le energie rinnovabili in modo molto sensato, soprattutto per coprire il fabbisogno di base e quindi per far fronte al gigantesco problema irrisolto dello stoccaggio dell’energia.

Quando, quindi, potremmo aspettarci che le centrali a fusione vengano utilizzate per la produzione di energia su scala utile? Secondo Jenko, ciò dipende dalla forza con cui viene promossa la ricerca sulla fusione. Finora, dice, il risultato è stato relativamente modesto. In Germania, negli ultimi vent’anni, sono state promosse altre forme di energia, le energie rinnovabili, ma anche le energie fossili e l’energia nucleare, sostenendole in alcuni casi con diverse centinaia di miliardi di euro – ma la ricerca sulla fusione solo con meno dell’uno per cento di questa cifra. «Con una maggiore determinazione e un adeguato sostegno finanziario, si potrebbe guadagnare molto tempo», aggiunge.

Quindi, secondo lui, non si investe abbastanza nella ricerca sulla fusione? «Purtroppo, è così. La ricerca sulla fusione, come ho detto, è finanziata solo con una piccola frazione delle risorse finanziarie con cui si promuovono altre fonti energetiche. Solo negli anni ’70 c’è stato un breve boom di finanziamenti negli Stati Uniti, dopo la crisi petrolifera, ma presto i fondi sono stati nuovamente tagliati».

L’accettazione nella società

Da alcuni anni, tuttavia, si nota un crescente interesse da parte dell’industria. In tutto il mondo sono state fondate circa cinquanta start-up per l’energia da fusione, che hanno ricevuto più di cinque miliardi di euro, soprattutto da investitori privati. «Questo fa sperare in uno sviluppo dinamico».

Per quanto riguarda l’accettazione da parte della società, c’è il rischio che un processo di fusione possa sfuggire al controllo se qualcosa di imprevisto va storto? «No, questo è fuori discussione», dice Jenko. Le centrali a fusione sono intrinsecamente sicure, dice, perché i processi di fusione continuano solo se dall’esterno si creano le condizioni adatte: «La sfida di accendere il fuoco del sole sulla terra può, per così dire, essere paragonata al tentativo di accendere un pezzo di legno bagnato». Se si fa tutto bene, brucia; altrimenti si spegne. E non si pone nemmeno il problema dello stoccaggio finale, come lo conosciamo per l’energia nucleare.

 

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