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Fusione nucleare: ITER passa alla fase 3

(Image credit: ITER Organization)

Il progetto ITER, acronimo di International Thermonuclear Experimental Reactor, è un progetto internazionale nato nell’ottobre del 2007 che ha come obiettivo quello di realizzare un reattore a fusione nucleare di tipo sperimentale. Recentemente siamo entrati in una nuova fase: l’assemblaggio della macchina. Andiamo quindi a ripercorrere la storia di questo progetto partendo proprio da alcune significative ricerche sulla fusione nucleare. 

Come funziona la fusione nucleare? 

Iniziamo con il dire che la fusione nucleare è una reazione nucleare attraverso la quale i nuclei di due o più atomi si fondono tra loro, dando come risultato il nucleo di un nuovo elemento chimico e l’emissione di energia. Perché questo sia possibile, i nuclei devono essere avvicinati tra loro con una forza enorme che permetta di superare la repulsione elettromagnetica; in natura essa rappresenta il meccanismo alla base della vita delle stelle. Infatti, tale processo rende possibile il loro splendore, e il mantenimento costante delle dimensioni impedendo alle stelle di collassare su se stesse durante la loro vita sotto il peso della propria forza di gravità.

L'immagine qui in alto rappresenta la cosiddetta "catena protone-protone", il processo nucleare che avviene all'interno della maggior parte delle stelle tramite il quale i nuclei di idrogeno vengono trasformati in nuclei di elio con conseguente emissione di energia.

L'immagine qui in alto rappresenta la cosiddetta "catena protone-protone", il processo nucleare che avviene all'interno della maggior parte delle stelle tramite il quale i nuclei di idrogeno vengono trasformati in nuclei di elio con conseguente emissione di energia. (Image credit: HeNRyKus)

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Quando Ernest Rutherford, Marcus Oliphant e Paul Harteck effettuarono degli esperimenti nel 1934, furono "sorpresi dallo scoprire che bombardando l’idrogeno pesante (il deuterio, un isotopo dell’idrogeno) con deutoni (nuclei di deuterio) si produceva un effetto enorme". Oltre alla scoperta del trizio e dell'elio-3, il loro esperimento ha ottenuto le prime reazioni di fusione nucleare in laboratorio.

Da allora sono state investite sempre più risorse ed energie alla ricerca di un modo per sfruttare queste reazioni nucleari allo scopo di produrre energia. In particolare, sono stati due i principali problemi da affrontare per i ricercatori: individuare reazioni che avvengono ad una “bassa” temperatura (tecnicamente si parla di energia di soglia) e raggiungere un bilancio energetico positivo del reattore.

Le reazioni che avvengono all’interno delle stelle richiedono energie di soglia, e quindi temperature, troppo elevate per la resistenza dei materiali attuali, dunque ci si è concentrati nello studio di una particolare reazione, la fusione deuterio-trizio (D - T), poiché l’energia di soglia richiesta è di “soli” 20KeV o 200 milioni di gradi Kelvin. A queste temperature gli atomi perdono i propri elettroni, ionizzandosi e raggiungono un nuovo stato della materia, il plasma. 

Contenere la reazione e il plasma non è possibile con materiali di alcuni tipo, ed è per questo che neii reattori a fusione si usa un potente campo elettromagnetico per questo scopo. 

Qui in alto è rappresentato il tasso di reazione medio, o per meglio dire quante reazioni avvengono mediamente al secondo, tra vari atomi in funzione della temperatura in scala logaritmica. In particolare, le reazioni analizzate sono: deuterio-trizio (D - T), deuterio-deuterio (D - D), deuterio-elio3 (D - He3) e trizio-trizio (T - T). Come si evince dal grafico, la reazione deuterio-trizio raggiunge un massimo intorno ai 70KeV per poi lentamente scendere, mentre le altre reazioni raggiungono il picco a temperature ben più alte.

Qui in alto è rappresentato il tasso di reazione medio, o per meglio dire quante reazioni avvengono mediamente al secondo, tra vari atomi in funzione della temperatura in scala logaritmica. In particolare, le reazioni analizzate sono: deuterio-trizio (D - T), deuterio-deuterio (D - D), deuterio-elio3 (D - He3) e trizio-trizio (T - T). Come si evince dal grafico, la reazione deuterio-trizio raggiunge un massimo intorno ai 70KeV per poi lentamente scendere, mentre le altre reazioni raggiungono il picco a temperature ben più alte. (Image credit: Wikigian)

Se il contenimento magnetico si può considerare un problema risolto, la grande questione aperta della fusione nucleare è la resa. Al momento, infatti, non si è ancora riusciti a costruire un reattore che produca più energia elettrica di quanta ne consumi per alimentare i magneti e i sistemi ausiliari. 

Il parametro principale che gli scienziati usano per valutare la positività del bilancio energetico di un reattore è detto parametro di Lawson (Q) e il massimo valore finora conseguito è Q = 0,67 dove il valore 1 rappresenta la condizione di pareggio, cioè tanta energia viene usata quanta ne viene prodotta. Si può comprendere quindi che c'è ancora un po' di lavoro da fare per arrivare  a rese superiori a 1, necessarie affinché la fusione diventi un'alternativa credibile per il crescente fabbisogno energetico del mondo. 

Ciò potrebbe presto cambiare con la messa in funzione di ITER che dovrebbe riuscire a raggiungere un valore di Q pari a 10. 

La nascita e l’evoluzione di ITER 

Tokamak ITER

Tokamak ITER (Image credit: ITER Organization)

Come tutti i grandi progetti internazionali, anche ITER, dal latino “percorso”, è nato e si è evoluto nel corso di decenni, infatti il primo consorzio internazionale volto alla costruzione di un nuovo tipo di reattore in grado di sfruttare la fusione nucleare fu fondato più di trent’anni fa da Europa, Giappone, Stati Uniti e Unione Sovietica. A questi si sono poi aggiunti India, Cina e Corea.

L’Italia è uno degli Stati maggiormente coinvolti nel progetto: basti pensare che circa il 60% di tutti i contratti industriali per la costruzione di ITER sono stati aggiudicati da aziende italiane. Esso dunque rappresenta un grande motivo di vanto per il nostro Paese.

Problemi di progettazione e di gestione hanno ritardato l'inizio delle operazioni e hanno portato a una sostanziale revisione del budget che ad oggi si attesta sui 20 miliardi di euro. Tuttavia, in seguito all'arrivo del Direttore Generale Bernard Bigot nel 2015, una revisione radicale del progetto ha portato a un nuovo piano di base. 

Questo programma rivisto ha segnato un punto di svolta per la costruzione di ITER: nel giugno 2016 il Consiglio Direttivo di ITER ha annunciato ufficialmente che l’ignizione del primo plasma di idrogeno è prevista per il 2025, e i lavori per realizzarla sono completi al 70% e quindi sono sulla buona strada.

All'inizio di quest'anno l'edificio tokamak (cioè la macchina toroidale in cui viene creato e mantenuto il plasma) è stato consegnato all'Organizzazione ITER e la base criostatica da 1.250 tonnellate è stata installata con la precisione richiesta di soli 3 mm. Con l'arrivo sul posto anche dei primi componenti principali, come le bobine di campo magnetico, l'attenzione si è spostata dalla costruzione dell'infrastruttura al montaggio delle macchine, una pietra miliare che è stata celebrata il 28 luglio.

Il cantiere di Saint-Paul-lès-Durance dove è in fase di realizzazione il reattore

Il cantiere di Saint-Paul-lès-Durance dove è in fase di realizzazione il reattore (Image credit: ITER Organization/EJF Riche)

I prossimi passi importanti da compiere consistono nella messa in servizio dell'impianto criogenico ad elio liquido e nel pre-assemblaggio dei nove settori dei recipienti sottovuoto con due bobine di campo magnetico toroidale ciascuna e schermatura termica, con il primo modulo che dovrebbe essere installato verso la fine di quest’anno. 

Il primo dei sei magneti che compongono il solenoide centrale dovrebbe essere spedito dagli Stati Uniti alla Francia verso la fine dell'anno. Il solenoide sarà l'ultimo componente principale ad essere installato prima che il criostato venga chiuso alla fine del 2024, seguito da un periodo di messa in servizio e test integrati per preparare il primo plasma.

Naturalmente, a causa della pandemia COVID-19 in corso queste date potrebbero essere soggette a qualche variazione: i lavori sul sito hanno subito una riduzione e sono state messe in atto diverse misure di sicurezza precauzionali. Oltretutto, le varie misure di blocco, come la chiusura temporanea di officine o fabbriche, operate dai singoli Stati membri potrebbero influenzare la consegna dei componenti critici. 

Tuttavia, bisogna sottolineare come grazie all’avanzamento dei lavori a buon ritmo e alla crescente consapevolezza da parte dell'opinione pubblica che la questione del cambiamento climatico diventa sempre più urgente, la percezione delle persone riguardo a ITER sia notevolmente migliorata rispetto ai primi anni.

Dopo l’ignizione del primo plasma, l'installazione di componenti critici per il funzionamento della fusione deuterio-trizio, come il riscaldamento supplementare o un sistema di riciclaggio del combustibile, preparerà la macchina al suo obiettivo finale: raggiungere una reazione di fusione stabile a partire dal 2035. Sembra che manchi ancora molto tempo al traguardo finale, ma i recenti risultati raggiunti da ITER sono impressionanti.

Anche se ITER non sarà la soluzione immediata al problema dell'energia pulita ed economica, sarà fondamentale per la progettazione della prossima generazione di reattori a fusione. Gli scienziati stanno già pensando al futuro: i progetti concettuali per i tokamak in grado di fornire energia sostenibile e distribuibile a livello globale sono già in corso. Ormai la strada verso un futuro con energia sicura e sostenibile sembra tracciata, dobbiamo solo seguirla.