Un aneddoto è noto: la fusione nucleare avverrà tra vent'anni. Sarà sempre tra vent'anni. Questa battuta, ora non più divertente, è nata dall'ottimismo degli scienziati che negli anni '50 (e in ogni decennio successivo) credevano che la fusione nucleare fosse a soli 20 anni di distanza. Ora questo aneddoto è stato preso sul serio da una startup, originaria del MIT (Massachusetts Institute of Technology), un'istituzione molto rispettata e famosa: Commonwealth Fusion Technologies. La startup promette di lanciare un reattore a fusione nucleare funzionante tra 15 anni. Promette energia a buon mercato, pulita e illimitata che risolverà tutte le crisi legate ai combustibili fossili e ai cambiamenti climatici. Così dicono: "una fonte di energia potenzialmente inesauribile e priva di carbonio".
Unico problema: lo abbiamo già sentito molte volte. Cosa c'è di diverso questa volta?
Un altro famoso cliché riguarda l'energia della fusione. L'idea è semplice: metti il sole in una bottiglia. Non resta che costruire una bottiglia. L'energia di fusione alimenta le stelle, ma richiede condizioni incredibilmente calde e dense affinché il plasma funzioni.
Un'enorme quantità di energia può essere rilasciata quando due nuclei leggeri si fondono insieme: la fusione deuterio-trizio, che viene eseguita come parte dell'esperimento ITER, emette 17,6 MeV per reazione, un milione di volte più energia per molecola di quella che si ottiene dall'esplosione di TNT. Ma per rilasciare questa energia, è necessario superare la potente repulsione elettrostatica tra i nuclei, che sono entrambi caricati positivamente. La forte interazione a brevi distanze porta ad una fusione che rilascia tutta questa energia, ma i nuclei devono essere avvicinati molto - sui femtometri. Nelle stelle, questo accade da solo a causa della colossale pressione gravitazionale sul materiale, ma sulla Terra questo è più difficile.
Per prima cosa devi cercare di trovare materiali che sopravvivono dopo l'esposizione a temperature di centinaia di milioni di gradi Celsius.
Il plasma è costituito da particelle cariche; la materia e gli elettroni vengono spazzati via. Può essere tenuto in posizione da un campo magnetico che piega il plasma in un cerchio. Le manipolazioni con il campo magnetico consentono anche di comprimere questo plasma. Negli anni '50 e '60 apparve un'intera generazione di dispositivi con nomi esotici: Stellarator, Forseatron, Z-Pinch, progettati per questo. Ma il plasma che stavano cercando di trattenere era instabile. Il plasma stesso genera campi elettromagnetici, può essere descritto da una teoria molto complessa della magnetoidrodinamica. Lievi deviazioni o difetti sulla superficie del plasma sono rapidamente sfuggiti al controllo. In breve, i dispositivi non funzionavano come previsto.
L'Unione Sovietica ha sviluppato un dispositivo tokamak che offriva prestazioni notevolmente migliorate. Allo stesso tempo, è stato inventato un laser, che consente un nuovo tipo di sintesi: la sintesi con confinamento inerziale.
In questo caso, non è più necessario trattenere il plasma che brucia nei campi magnetici, è necessario comprimerlo con un'esplosione utilizzando i laser in breve tempo. Ma anche gli esperimenti con il confinamento inerziale soffrivano di instabilità. Sono in funzione dagli anni '70 e un giorno potrebbero farcela, ma il più grande fino ad oggi - il National Ignition Laboratory di Livermore, in California - non ha mai raggiunto un punto di pareggio in cui verrà prodotta più energia di quella spesa.
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Gran parte della speranza è con ITER, il più grande tokamak di fusione a confinamento magnetico del mondo, che è ancora in costruzione.
Gli sviluppatori del progetto sperano di accendere il plasma entro 20 minuti per generare 500 MW di potenza con un input nominale di 50 MW. Esperimenti di fusione completa sono previsti per il 2035, ma i problemi con la cooperazione internazionale tra Stati Uniti, Unione Sovietica (allora ancora), Giappone ed Europa hanno portato a lunghi ritardi e ad un allungamento del budget. Il progetto è in ritardo di 12 anni e costa 13 miliardi di dollari. Questo non è raro per i progetti che richiedono la realizzazione di enormi installazioni.
Secondo il piano ITER, il primo reattore a fusione termonucleare, che funzionerà come centrale elettrica, accendendo e supportando la fusione, DEMO, dovrebbe entrare in funzione nel 2040 o addirittura nel 2050. In altre parole, la fusione nucleare … avverrà tra vent'anni. C'è la tendenza a risolvere i problemi di instabilità costruendo sempre più strutture. ITER sarà più grande di JET e DEMO sarà più grande di ITER.
Nel corso degli anni, molti team hanno sfidato la collaborazione internazionale con progetti più piccoli. La domanda non è la velocità, ma la praticità. Se davvero ci vogliono miliardi di dollari e decine di anni per costruire un reattore a fusione, ne varrà la pena? Chi pagherà per la costruzione? Forse quando un tokamak funzionante sarà costruito, la combinazione di pannelli solari e nuove batterie ci fornirà energia che sarà più economica di quella prodotta con il tokamak. Alcuni progetti - anche la famigerata "fusione fredda" - si sono rivelati falsi o non funzionanti.
Altri meritano più attenzione. Startup con nuovi progetti di reattori a fusione o, in alcuni casi, versioni riviste di vecchi tentativi.
Tri Alpha si aspetta di far collidere nuvole di plasma in una struttura che ricorda il Large Hadron Collider, e quindi tenere il plasma sintetizzatore in un campo magnetico abbastanza a lungo da raggiungere il punto di pareggio e generare energia. Sono riusciti a raggiungere le temperature richieste e il confinamento del plasma in pochi millisecondi, oltre a raccogliere oltre 500 milioni di dollari in capitale di rischio.
La Lockheed Martin Skunk Works, nota per i suoi progetti segreti, ha fatto colpo nel 2013 annunciando che stavano lavorando su un reattore a fusione compatto da 100 MW delle dimensioni di un motore a reazione. A quel tempo, hanno affermato che il prototipo sarebbe stato pronto in cinque anni. Ovviamente non hanno rivelato i dettagli del design. Nel 2016 è stato confermato che il progetto sta ricevendo finanziamenti, ma molti hanno già perso la fede e guadagnato scetticismo.
E sullo sfondo di tutta questa disgrazia, gli scienziati del MIT hanno fatto irruzione sul ring. Bob Mumgaard, CEO di Commonwealth Fusion Energy, ha dichiarato: “Ci impegniamo a fornire una postazione di lavoro in tempo per combattere il cambiamento climatico. Pensiamo che la scienza, la velocità e la scalabilità del progetto richiederanno quindici anni.
Il nuovo progetto del MIT aderisce al design del tokamak, come ha fatto in passato. Il dispositivo SPARC dovrebbe produrre 100 MW di energia in impulsi di confinamento di 10 secondi. È già stato possibile ottenere energia dagli impulsi prima, ma il punto di pareggio è ciò che attrae davvero gli scienziati.
Una salsa speciale in questo caso sono i nuovi magneti superconduttori ad alta temperatura in ossido di ittrio-bario-rame. Considerando che HTSM può creare campi magnetici più potenti alla stessa temperatura dei magneti convenzionali, può essere possibile comprimere il plasma con una potenza di ingresso inferiore, un dispositivo magnetico inferiore e ottenere condizioni di sintesi in un dispositivo che è 65 volte più piccolo di ITER. Comunque questo è il piano. Sperano di creare magneti superconduttori nei prossimi tre anni.
Gli scienziati sono ottimisti: "La nostra strategia consiste nell'usare una fisica conservativa basata su decenni di lavoro al MIT e altrove", ha affermato Martin Greenwald, direttore associato del Center for Plasma Science and Fusion del MIT. "Se SPARC raggiunge le prestazioni previste, il mio istinto impone che possa essere adattato a una vera centrale elettrica".
Ci sono molti altri progetti e startup che promettono allo stesso modo di aggirare tutti i tipi di tokamak e budget di collaborazione internazionale. È difficile dire se qualcuno di loro troverà l'ingrediente segreto per la sintesi o se vincerà ITER, con il suo peso nella comunità scientifica e il sostegno dei paesi. È ancora difficile dire quando e se la fusione diventerà la migliore fonte di energia. La sintesi è difficile. Ecco come mostra la storia.
Ilya Khel
