Fusione nucleare, Iter sta provando a ricreare il Sole: ci siamo stati

Fuoco, carbone, petrolio, nucleare, rinnovabili. La storia dell’umanità è una lunga sequela di tentativi per cercare di trovare una soluzione a una semplice ma esistenziale necessità, il bisogno di energia. Che sia per cuocere un cibo o per far funzionare un data center, la capacità di compiere lavoro è fondamentale quanto il bisogno stesso di aria per respirare. E ora che tutto sembra insufficiente, con il fabbisogno energetico globale che è destinato a impennarsi nei prossimi decenni, l’Uomo ha deciso di alzare il suo sguardo da terra e cercare una metodologia, teorica e pratica, che dia una risposta definitiva. E gli occhi si sono posati sul Sole.

In Provenza

Nel Sud della Francia, in quella Provenza dove ti aspetti lavanda e bellezza, trovi scienza e ricerca. Qui, nel centro di Cadarache (Comune di Saint-Paul-lès-Durance), è attualmente in corso uno dei più grandi esperimenti della storia dell’umanità. Il suo nome è Iter, acronimo di International thermonuclear experimental reactor, e il suo scopo è di una complessità che quasi spaventa: dimostrare che sul nostro pianeta è scientificamente possibile creare e controllare ai fini della produzione energetica il processo di fusione nucleare, lo stesso che avviene nei nuclei delle stelle. Questo permetterà di sviluppare in futuro tecnologie in grado di fornire energia disponibile su larga scala, sicura, con pochi scarti e carbon free.

Il quartier generale di Iter - © www.giornaledibrescia.it

Che l’associazione Alumni dell’Università di Brescia abbia scelto il sito di ricerca e sviluppo di Cadarache come meta del suo terzo viaggio scientifico perciò non stupisce. A partire dal 2006, quando venne firmato l’accordo internazionale che diede vita a Iter – sebbene in nuce il progetto affondi le sue radici nel summit di Ginevra fra i presidenti di Urss e Usa Mikhail Gorbachev e Ronald Reagan del 1985 – il Sud della Francia ospita lo sforzo prometeico. Un laboratorio di ricerca che si estende su un’area di 180 ettari, frutto di una cooperazione internazionale senza precedenti e che vede partecipare l’Unione europea e i suoi 27 Stati membri, gli Stati Uniti, la Cina, la Russia, l’India, il Giappone e la Corea del Sud: l’Ue contribuisce per il 45%, gli altri Stati per il 9% ciascuno.

«Mai si è vista una cooperazione di questo livello nella storia su un progetto di ricerca applicata – sottolinea Pietro Barabaschi, ingegnere italiano che riveste il ruolo di direttore generale di Iter –. Non parliamo solo di scienza però, qui siamo di fronte a uno sforzo umano collettivo senza precedenti». E vivendo le tensioni globali attuali le domande non possono che moltiplicarsi.

Da sinistra Bonomi, Bonfardini, Barabaschi, Mansini e Lancellotti - © www.giornaledibrescia.it

Ciascun Paese contribuisce fornendo componenti, lavori, materiali, personale (1.100 coloro che lavorano nel sito, ai quali si aggiungono non meno di 3.000 operatori esterni), e soprattutto denaro. «Dal 2006 abbiamo speso 20 miliardi di euro – spiega Barabaschi –, e altri 10 ne serviranno per arrivare al 2035, anno in cui verosimilmente avverrà l’accensione dell’impianto. Dico verosimilmente perché Iter non è una strada rettilinea, è un tortuoso percorso fatto di esperimenti e di errori». Diversi infatti gli intoppi – come quello del 2022 con l’individuazione di irregolarità tecniche – che hanno allontanato sempre di più l’obiettivo. Allontanato ma non cancellato.

Il laboratorio/cantiere

Siamo infatti in un laboratorio, seppur di dimensioni ciclopiche, e alle difficoltà si risponde col lavoro, moltiplicatore di sforzi ma anche di scoperte. «La costruzione del reattore ci ha permesso di fare notevoli scoperte in molti altri campi, dai materiali all’edilizia fino all’ingegneria» conferma Luca Zabeo, ingegnere con competenze specifiche sul plasma, uno dei tanti italiani presenti a Cadarache. Parliamo di un reattore alto 30 metri e largo altrettanti, formato da un milione di componenti delle dimensioni che vanno da pezzi di 8 metri per 28 a quelle di una piccola vite. Il tutto per contenere pochi grammi di combustibile.

L’intero processo è infatti estremamente complesso: «Abbiamo posizionato uno dei coil del reattore in una settimana (sono 18 in totale ndr) salvo poi accorgerci che qualcosa era andato storto – dice Zabeo dentro il laboratorio/cantiere di assemblaggio dove si entra con caschetto, occhiali ma anche guanti e copriscarpe per garantire che non si introduca sporcizia esterna –. Ci abbiamo messo un mese per smontarlo». A dir poco diabolica è anche la logistica, coi pezzi che se non vengono assemblati in loco sono trasportati interi dai Paesi d’origine dal porto di Marsiglia, con conseguente blocco totale della viabilità della zona. «È una sfida immane, a volte anche scoraggiante – confida l’ingegnere –, ma a dir poco entusiasmante, anche perché tutto ciò che qui viene scoperto poi avrà una ricaduta sulla vita quotidiana di tutti noi».

Come funziona

Ma come funziona nello specifico il reattore che si vuole creare? Una premessa: la fusione si distingue dalla fissione, dove un materiale radioattivo – uranio o plutonio – viene bombardato con neutroni per spezzare i legami e creare di conseguenza energia. Con la fusione nucleare confinata all’interno di una camera di forma toroidale, il celebre tokamak (esiste anche un procedimento alternativo a quello di Iter chiamato confinamento inerziale), il processo è diverso.

È infatti stato osservato che quando questa reazione avviene la massa finale che ne consegue è minore di quella iniziale degli atomi sommati. Prendiamo il Sole: quando grazie alle alte temperature e all’enorme densità del nucleo due atomi di idrogeno si fondono, il risultato è un atomo di elio, un neutrone e una grande quantità di energia. Ebbene, le condizioni sulla Terra sono ben diverse rispetto a quelle della stella, di conseguenza le criticità sono enormi.

Per ricreare questo meccanismo fisico in una prima fase si utilizzano atomi di idrogeno per testare i sistemi. Successivamente vengono iniettati deuterio, un isotopo naturale dell’idrogeno ricavabile dall’acqua, e infine trizio, un altro isotopo dell’idrogeno ma radioattivo, non rinvenibile in natura e perciò prodotto artificialmente bombardando del litio con neutroni (in Iter è in costruzione uno specifico sito che effettuerà tale procedimento). Per capirci, col deuterio estratto da una vasca piena d’acqua e il litio della batteria di un Pc si potrebbe alimentare la Terra intera per 30 anni. Perché nel tokamak il carburante presente si calcola in grammi, pochissimi atomi con una densità irrisoria.

Attraverso correnti elettriche potentissime, iniezione di particelle neutre (neutral beam injection) e onde elettromagnetiche (ciclotrone) si deve giungere a una corrente di circa 15 megaampere (MA). Così facendo il gas viene riscaldato fino a raggiungere temperature estreme, oltre 150 milioni di gradi Celsius, più di dieci volte quelli presenti al centro del Sole. In questo modo gli atomi si ionizzano: elettroni e nuclei si separano formando il celebre plasma, un gas liquido carico di particelle libere che può essere controllato solo tramite forze magnetiche.

Il tokamak

Uno schema del tokamak col plasma all'interno a 150 milioni di gradi

Ecco dunque quindi lo scopo del tokamak, tecnologia sviluppata dai russi e scelta come principale strumento, sebbene non sia l’unico (cercare in questo senso spheromak e stellarator), per provare a gestire la fusione. Poiché nessun materiale può resistere a tali temperature, il plasma non deve mai toccare le pareti della camera. Viene perciò tenuto sospeso al centro del tokamak grazie a un sistema di magneti superconduttori. Questi creano una gabbia magnetica toroidale che confina e stabilizza il plasma, impedendogli di disperdersi. E il controllo del plasma, date forma, densità, stabilità, rappresenta forse l’aspetto più complesso di Iter: anche minuscole instabilità o difetti nei componenti possono compromettere la reazione, con la stabilità che deve essere mantenuta nei piani degli scienziati per almeno 30 minuti, obiettivo mai raggiunto prima nella storia.

Tanto serve per far sì che venga creata più energia di quanta ne sia richiesta per essere innescata la reazione. Il traguardo tecnico è un guadagno energetico Q=10: a fronte di 50 MW immessi per riscaldare il plasma, si punta a ottenere 500 MW di potenza termica.

«Questa energia non verrà trasformata in elettricità all’interno di Iter – evidenzia Barabaschi –, perché il suo scopo è sperimentale. Nei futuri reattori sarà il calore prodotto dai neutroni liberati a generare vapore che azionerà turbine elettriche, esattamente come avviene nelle centrali nucleari a fissione». A differenza di queste però, sepppur in presenza di radiazioni durante il processo, la quantità di materiale radioattivo di scarto sarebbe irrisoria, garantendo una forma energetica pulita e sicura.

Futuro

Gli Alumni dell'UniBs con Pietro Barabaschi - © www.giornaledibrescia.it

Alla domanda su quando sarà possibile produrre energia da fusione il direttore generale nicchia, «non so dirlo, prima bisogna rendere la tecnologia affidabile». Il suo però non è un nascondersi, non un ipocrita aspettiamo e vediamo. È la lucidità dello scienziato che gestisce il più grande laboratorio della storia dell’Uomo, consapevole delle difficoltà ma soprattutto delle potenzialità. E del ruolo che il lavoro di migliaia di donne e uomini da 33 Paesi del mondo sta avendo e avrà: cambiare per sempre il modo di produrre energia, la vita delle persone e il mondo stesso.