La Fusione Nucleare come reale energia alternativa per il futuro dell’umanita’

Di recente la Commissione Europea, attraverso il consorzio EUROfusion ha disegnato la roadmap verso la produzione di energia elettrica tramite centrali a fusione nucleare, collocando nel 2050 l’ingresso di questa tecnologia nel mercato elettrico vero e proprio. In questa breve analisi – scritta da un fisico per un pubblico non specialista – tenterò di evidenziare gli aspetti della fusione nucleare potenzialmente rilevanti per lo scenario energetico mondiale.

La distanza temporale fra la stesura di questo testo e la prevista entrata in funzione delle prime centrali introduce inevitabilmente una forte componente speculativa nella trattazione del tema. Nondimeno, almeno a livello qualitativo, un’investigazione preliminare alla luce delle attuali conoscenze è non solo possibile ma anche perfettamente naturale nell’ambito della valutazione del progetto nel suo complesso. E comunque chi vivrà vedrà.

Principi fisici. Le reazioni di fusione avvengono fra nuclei di atomi “leggeri”, che si uniscono formando un nucleo più pesante. A seconda delle specie atomiche coinvolte nella reazione, alla fusione si accompagna l’emissione di un quantitativo più o meno grande di energia in varie forme. Gli atomi che vengono utilizzati negli attuali esperimenti sono due “varianti” – due isotopi, più correttamente – dell’idrogeno, il deuterio e il trizio, che si uniscono a formare un nucleo di elio, un gas non radioattivo e non pericoloso da un punto di vista chimico. Ogni reazione di fusione deuterio + trizio libera un’energia pari a 17.6 MeV (acronimo di Mega electronVolt, un’unita’ di misura dell’energia). Per farsi un’idea dell’immenso potenziale celato dietro a questo numero, basti pensare che l’energia prodotta dalla combustione di una tonnellata di carbone può essere ottenuta dalla fusione nucleare di un decimo di grammo di isotopi di idrogeno. La difficoltà’ principale nell’ottenere fusione consiste essenzialmente nel tenere i nuclei vicini quel tanto che basta e per un tempo sufficiente affinché la reazione possa aver luogo, cosa non banale poiché i nuclei, in virtù della loro carica elettrica, tendono a respingersi. In quell’immenso reattore a fusione naturale che e’ il nostro sole, i nuclei sono “costretti” a stare a contatto fra loro dalla gigantesca forza gravitazionale, che compensa la naturale tendenza all’espansione del gas caldo. Questa modalità di confinamento è però evidentemente non riproducibile su scala umana – la massa di gas necessaria per un singolo reattore sarebbe molto maggiore di quella dell’intera atmosfera terrestre. Nel corso dei decenni, i fisici hanno investigato tre tipologie di confinamento alternative alla gravità:

  1. Confinamento inerziale: il gas viene compresso tramite un’onda elastica molto potente, ottenuta tramite laser, che crea una pressione alta seppur localizzata e di brevissima durata temporale.
  2. Fusione fredda: Un materiale solido (per esempio il palladio) “assorbe” il gas fino a concentrazioni piuttosto alte, intrappolando i nuclei e mantenendoli a una distanza tale da consentire la reazione. E’ doveroso tuttavia menzionare che la fusione fredda è un fenomeno fisico molto controverso, la cui effettiva esistenza è tuttora oggetto di discussione nella comunità scientifica – discussione che talora degenera in un poco costruttivo complottismo, ma tant’è.
  3. Confinamento magnetico: anche noto come fusione termonucleare o “calda”, consiste essenzialmente nello scaldare il gas a temperature altissime (centinaia di milioni di gradi Celsius) in modo da “rompere” gli atomi in nuclei ed elettroni liberi di muoversi indipendentemente gli uni dagli altri. Questo gas elettricamente carico è noto con il nome di plasma, e appunto in virtù della sua carica elettrica può essere confinato con l’ausilio di campi magnetici. Il lettore potrebbe chiedersi da dove prendiamo l’energia per raggiungere queste altissime temperature nell’ordine di centinaia di milioni di gradi Celsius. Ne parlo brevemente piu’ oltre discutendo le problematiche aperte.

Questa terza modalità di confinamento è quella che allo stato attuale ha ottenuto i risultati migliori negli esperimenti compiuti nei laboratori e nelle università. In particolare, fra le tante tipologie di reattore che nel corso dei decenni sono state esplorate, il cosiddetto Tokamak (acronimo russo per “camera toroidale con bobine magnetiche”, ideato dai sovietici negli anni ’60 e sviluppato poi in tutto il mondo) si è imposto come la migliore fra le opzioni disponibili. I reattori previsti per il 2050 saranno dunque dei Tokamak, benché altre configurazioni (a titolo di esempio cito gli stellaratori) continuino ad essere investigate in parallelo. Per un’analisi esaustiva sulla macchina Tokamak rimando al celebre testo“Tokamaks” di J. Wesson, che richiede tuttavia conoscenze avanzate di fisica e matematica. Il reattore sperimentale ITER, in costruzione nel sud della Francia, costituirà il passo in avanti decisivo verso la realizzazione della prima centrale DEMO. L’entrata in funzione di ITER è prevista per il 2020. Si tratta di una cooperazione internazionale che coinvolge Cina, India, Stati Uniti, Unione Europea, Russia, Giappone e Corea e che dovrà di fatto mostrare la fattibilità tecnica dei reattori a fusione alla luce delle criticità emerse nei decenni scorsi.

Impatto ambientale. Il consumo globale di energia primaria (che, grosso modo, si può suddividere in tre grandi voci, ossia produzione di energia elettrica E, trasporti T e riscaldamento R) dipende per una percentuale vicina all’80% da fonti fossili, ossia carbone, petrolio e gas naturale (si veda per esempio il sito dell International Energy Agency IEA). Immagino sia noto a tutti che questa dipendenza così abnorme è piuttosto indesiderabile, sia per motivi strettamente ambientali – per via dell’emissione di gas serra, cosi’ come di ossidi di azoto e altri residui inquinanti della combustione – sia per motivi geopolitici – disgraziatamente, i giacimenti di petrolio e, in minor misura, di carbone, sono assai mal distribuiti sul globo terrestre, cosa che da diversi anni crea inquietanti tensioni di dimensione planetaria. Tale percentuale ci fa tuttavia capire che l’impresa di sbarazzarci delle fonti fossili richiederà uno sforzo notevole da parte della comunità internazionale. Di fatto, anche nella poco realistica ipotesi che il consumo mondiale di energia non aumenti nel lungo termine (ossia che il miglioramento dell’efficienza energetica nei vari settori sia in grado di compensare tanto la crescita demografica quanto la crescita economica delle nazioni emergenti e non) la frazione di energia prodotta da fonti non fossili dovrebbe aumentare fino al 500% del suo attuale valore per eliminare completamente la dipendenza mondiale dagli idrocarburi Per raggiungere un obbiettivo cosi’ ambizioso, o quanto meno per andarci sufficientemente vicino, abbiamo bisogno di tecnologie con le seguenti caratteristiche:

  • Bassa emissione di inquinanti – sia in fase operazionale che in caso di incidente.
  • Alta densità energetica – cioè che non occupino superfici troppo grandi per MW (MegaWatt) prodotto.
  • Impiego di fonti reperibili in modo più o meno omogeneo sull’intero pianeta e disponibili in quantità sufficiente, in modo da impattare positivamente sulle tematiche geopolitiche.

Le fonti rinnovabili soddisfano senz’altro il primo e il terzo prerequisito (anche se si potrebbe discutere sull’impatto ambientale legato allo smaltimento dei pannelli solari, ma in questa sede non entro in dettaglio), ma non il secondo. Stando alle statistiche IEA nel 2012 la frazione di energia primaria (E+T+R) prodotta tramite rinnovabili ammonta a circa il 3,4% del totale, percentuale che scende all’1,1% se si considerano solo il solare e l’eolico, e questo nonostante i massicci investimenti degli ultimi anni, soprattutto in Europa. Pensare di sopperire all’intero fabbisogno mondiale solo con queste ultime fonti (l’idroelettrico non ha grossi margini di crescita) significherebbe centuplicare la produzione attuale, con conseguenze notevoli in termini di occupazione del suolo (dove le mettiamo le 99 pale eoliche che dobbiamo aggiungere a ogni pala già esistente?). Questo senza contare i problemi di stoccaggio – non possiamo controllare sole e vento, quindi non e’ detto che l’energia venga prodotta quando ci serve, ma anche qui non entro in dettaglio. In sintesi, le rinnovabili sono senz’altro una parte importante della soluzione, ma da sole non possono bastare.

Per quanto riguarda il nucleare convenzionale, il secondo requisito sarebbe pienamente soddisfatto, ma il primo no (le scorie radioattive che restano potenzialmente letali per millenni sono un grosso problema, anche se in fase operazionale non si ha emissione di anidride carbonica). Inoltre, anche il terzo requisito andrebbe valutato con una certa cautela, essendo l’uranio presente in modo disomogeneo sulla crosta terrestre – sebbene le tecniche per estrarlo dall’acqua di mare possano almeno in parte ovviare al problema. Parallelamente, nel caso in cui si decidesse di aumentare massicciamente il potenziale nucleare convenzionale, si renderebbe necessaria anche un’accurata stima delle riserve mondiali di uranio, che così come quelle di petrolio sono limitate.

La fusione nucleare possiede invece tutte e tre le caratteristiche che ho identificato in precedenza. Infatti, non solo non produce gas serra, ma nemmeno scorie radioattive – come menzionato in precedenza, la reazione di fusione genera soltanto dell’elio, un gas non radioattivo e chimicamente neutro, che potrebbe in linea di principio essere rilasciato nell’ambiente senza nessun effetto collaterale, e per di più, i quantitativi emessi risulterebbero molto bassi alla luce dell’esigua quantità di combustibile necessaria. Gli unici rifiuti radioattivi sono dovuti allo smantellamento dei reattori a fine vita (il cosiddetto decommissioning), ma si tratta di Medium Level Waste, ossia rifiuti meno pericolosi di quelli provenienti dai reattori nucleari convenzionali. Inoltre – e questo è forse l’aspetto più interessante dei reattori a fusione – un incidente analogo alla famigerata catastrofe di Chernobyl non potrebbe in nessun caso aver luogo, sia perché la fusione, contrariamente alla fissione dell’uranio, non dà luogo a reazioni a catena e dunque la potenza non può crescere in maniera incontrollata, sia perché anche in caso di evento catastrofico oltre ogni ragionevole previsione la quantità di materiale radioattivo rilasciata sarebbe enormemente più bassa rispetto a quella di un reattore a fissione, e dunque le ripercussioni si avrebbero solo in un’area di pochi chilometri intorno all’impianto e per un periodo di tempo limitato (un reattore a fusione non contiene elementi che restano radioattivi per millenni). La taglia di un reattore a fusione verrà ad essere comparabile a quella degli attuali reattori a fissione, ossia all’incirca un GW (GigaWatt) elettrico, garantendo così un’alta densità di potenza. Per quanto riguarda gli aspetti geopolitici, i combustibili necessari alla fusione – come brevemente illustrato sopra – sono il deuterio, che si trova nell’acqua e da essa può opportunamente venire estratto, e il trizio, che in natura non esiste essendo un nuclide instabile ma che può venire prodotto all’interno del reattore stesso mediante un processo che coinvolge il litio, un elemento diffuso in modo sufficientemente omogeneo sulla crosta terrestre. Per coniare uno slogan, dove c’è acqua e terra, là e possibile fare fusione. Le stime sulla durata delle riserve di litio (il deuterio è pressoché illimitato, si parla di milioni di anni di riserve, o forse più) variano molto a seconda delle ipotesi di lavoro, ma per dare un’idea si va da un minimo di 1000 a un massimo di 30.000 anni. La speranza, in un futuro remoto, è quella di costruire reattori che necessitano del solo deuterio, impiegando una reazione nucleare che avviene a temperature al momento ben al di sopra delle nostre capacità tecnologiche.

Con questa breve e parziale analisi non si vuole arrivare ad affermare che la fusione nucleare da sola basterebbe al raggiungimento di uno scenario energetico libero dagli idrocarburi – non si dimentichi che la fusione produce energia elettrica E, dunque sarebbe necessario convertire l’intero sistema dei trasporti T e il riscaldamento R in utenze elettriche, cosa non esattamente banale su scala globale. Nondimeno, per arrivare a ridurre significativamente la dipendenza da petrolio, carbone e gas, lo sviluppo di fonti di energia aventi caratteristiche analoghe alla fusione è non solo auspicabile, ma imprescindibile.

Impatto economico. Mentre dal punto di vista ambientale ci sono pochissimi dubbi sugli effetti benefici che la fusione porterebbe con sé, molto più difficile è valutare l’impatto sui costi dell’energia, e dunque sull’economia in senso ampio. In ogni caso, è bene ricordare che il progressivo esaurimento delle fonti fossili porterà molto probabilmente ad un aumento dei costi dell’energia nei prossimi decenni, consentendo dunque alle cosiddette energie alternative – fra cui la fusione – di imporsi sul mercato globale (magari con l’ausilio di un sistema fiscale che penalizzi le fonti più inquinanti). Contrariamente a quanto avviene per le attuali centrali a carbone o a gas, il costo del kWh (kiloWatt-ora) da fusione dipenderebbe in misura minima dal prezzo del combustibile e dalle sue oscillazioni – a causa dei consumi estremamente ridotti grazie all’alta energia della reazione nucleare – e in massima parte dai costi di realizzazione e gestione dell’impianto. In questo senso la ricerca attuale è orientata a ottenere performance della macchina che rendano la tecnologia non solo affidabile, ma anche competitiva. Con ipotesi ragionevolmente ottimiste, Wald et al. (2005) concludono che il prezzo del kWh da fusione può essere dell’ordine di quello che si ottiene da tecnologie quali fotovoltaico o eolico. E’ tuttavia importante notare che tali previsioni sono al momento piuttosto speculative, dato che l’effettiva resa di un reattore può solo venire estrapolata dagli esperimenti attuali, con tutte le numerose incertezze del caso. Alla luce di questo, non tenterò di fornire una stima dei costi reali di un reattore, ma piuttosto di evidenziare quali possano essere le criticità che influenzano negativamente le performance – senza nessuna pretesa né di completezza né di esaustività. Per chi volesse approfondire posso suggerire Zohm et al. (2013 Nucl. Fusion 53 073019), o il più recente Freidberg et al. (2015 Phys. Plasmas 22, 070901), purtroppo non disponibili open source.

Possiamo individuare le seguenti problematiche:

  • Durata della scarica. La caratteristica peculiare del Tokamak è quella di essere una macchina non stazionaria, ossia la scarica di plasma ha una durata limitata nel tempo. Negli esperimenti attuali la scarica dura al massimo pochi minuti. Per avere un reattore economicamente competitivo, sarà necessario raggiungere una durata di alcune ore, minimizzando al contempo l’interruzione fra una scarica e l’altra. E’ chiaro infatti che quel che conta sono le ore effettive di funzionamento, una macchina molto potente ma quasi mai accesa darebbe alla fine un contributo modesto. Per il reattore DEMO è anche previsto – parallelamente al design non stazionario – uno scenario senza interruzioni, basato tuttavia sul massiccio impiego di dispositivi ausiliari costosi dal punto di vista dell’energia assorbita, che possono avere ripercussioni negative sulla competitività del kWh prodotto – si veda il quarto punto del presente elenco.
  • Carico termico a parete. La funzione principale del campo magnetico del Tokamak è quella di tenere il plasma caldo il più possibile lontano dalle pareti, per evitare che queste vengano danneggiate dalle altissime temperature del gas carico. Questo problema, già presente negli attuali reattori sperimentali, diventa critico nelle condizioni estreme previste per un reattore di potenza. In particolare, esiste una regione della macchina – il cosiddetto divertore – dove i valori del carico termico nel corso della scarica potrebbero superare i limiti ammissibili alla luce delle attuali conoscenze tecnologiche anche in fase operazionale. Questo costringerebbe a ridurre drasticamente la potenza dell’impianto onde evitare troppo frequenti interruzioni per manutenzione, con intuibili effetti sulla convenienza della tecnologia.
  • Stabilità della scarica. Se il carico termico sulle pareti è ai limiti della tollerabilità durante la normale fase operazionale, si può facilmente comprendere che un incidentale deterioramento del confinamento magnetico – e susseguente impatto del plasma a parete – avrebbe conseguenze assai nefaste sulle pareti del reattore, costringendo a lunghi e costosi periodi di manutenzione. Questi eventi catastrofici sono noti con il nome di disruptions, talora (male) italianizzato in disruzione. Benché un modello teorico generale non esista, siamo attualmente in grado di identificare i range di parametri “sicuri”, dove la macchina può operare senza rischio di disruptions, con una certa accuratezza. Resta da verificare in quale misura gli attuali criteri empirici possano essere estesi ed estrapolati ai grandi reattori di potenza.
  • Riscaldamento e current drive. Le macchine a fusione producono energia, ma per poter funzionare correttamente necessitano anche di assorbire energia, sia per il riscaldamento del plasma, sia per produrre delle correnti all’interno del plasma stesso (il cosiddetto current drive, CD). Con il parametro Q si definisce il rapporto fra l’energia prodotta dalla fusione e quella assorbita dal plasma. La condizione di Q = 1 è denominata breakeven, mentre Q = infinito (i.e. il plasma non ha bisogno di energia dall’esterno) si chiama ignizione. Ora, è evidente che per avere una macchina competitiva, il valore di Q deve essere sufficientemente alto (il reattore ITER dovrà dimostrare di poter raggiungere Q = 10). Siccome non è possibile aumentare più di tanto il numeratore – per motivi legati tanto alla stabilità della scarica quanto al carico termico a parete – la speranza è quella di ridurre al minimo il denominatore, facendo cioé in modo che tanto la potenza termica per il riscaldamento quanto le correnti vengano prodotte dal plasma stesso, limitando il più possibile il ricorso a sorgenti esterne.

Conclusione. Ciò che rende questa sfida ardua ma al contempo appassionante è che i quattro punti citati sono fra loro intimamente interconnessi, ed è dunque perfettamente inutile concentrarsi su un aspetto soltanto perdendo di vista le ripercussioni – potenzialmente fatali – sugli altri (a questo proposito si veda ad esempio Zohm 2010, Fusion Science and Technology 58 613). In conclusione, la competitività economica di un reattore a fusione dipenderà in modo cruciale da come i ricercatori saranno in grado di risolvere le sfide tecnologiche che si presentano. I risultati che conseguiremo nei prossimi, decisivi anni ci diranno quanto questa tecnologia rivoluzionaria sarà in grado di migliorare le condizioni di vita del genere umano nel rispetto dell’ambiente e del pianeta che abitiamo.

 

Articolo di Mattia Siccinio ripreso dal sito NoisefromAmerika.org

Link: noisefromamerika.org/articolo/fusione-nucleare-impatto-tecnologia-innovativa-sullo-scenario-energetico-globale

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