un si sta registrandoPer gli scienziati è un traguardo storico: la reazione di fusione nucleare con il confinamento inerziale con il laser ha prodotto più energia di quanta ne abbia consumata.
Tuttavia la strada per avere energia, quasi pulita e pressoché infinita, creando poche scorie nucleari, è ancora lunga. Infatti, se il bilancio energetico è positivo per la specifica reazione, non lo è per il reattore. Serve cioè energia per innescare la reazione. Inoltre “l’utilizzo dei laser è molto complesso”, conferma Piero Martin, professore di Fisica sperimentale presso il dipartimento Fisica e Astronomia dell’Università di Padova, esperto di fusione termonucleare controllata.
L’esperimento della National Ignition Facility (Nif) è tuttavia importante, segna una pietra miliare e conferma le potenzialità straordinarie della fusione nucleare che spiegano perché è cruciale investirci miliardi. Anche se il traguardo è ancora distante.
BREAKING NEWS: This is an announcement that has been decades in the making.
On December 5, 2022 a team from DOE’s @Livermore_Lab made history by achieving fusion ignition.
This breakthrough will change the future of clean power and America’s national defense forever. pic.twitter.com/hFHWbmCNQJ
— U.S. Department of Energy (@ENERGY) December 13, 2022
L’esperimento alla National Ignition Facility
Gli scienziati della National Ignition Facility nei Lawrence Livermore National Laboratory hanno prodotto una reazione di fusione che, per la prima volta nella storia ha sprigionato più energia di quanta ne abbia consumata per vincere la forza con cui si respingono i nuclei e indurli così alla fusione. “Un risultato scientificamente importante”, conferma il fisico Piero Martin.
La fusione nucleare è il processo dove la fusione di due nuclei più leggeri formare il nucleo di un elemento più pesante, producendo energia.
La somma delle masse degli atomi in entrata (quelli di idrogeno o deuterio, o trizio che si uniscono a formare un nucleo di elio) con quello in uscita (il nucleo di elio pesa meno di due nuclei di idrogeno) produce una perdita di massa. Ciò avviene secondo l’equazione E=mc2. Significa che il disavanzo di massa si converte in energia, in radiazione. Una minima differenza in massa libera una quantità enorme di energia.
Alla National Ignition Facility (Nif), i fisici non hanno usato l’idrogeno, bensì deuterio e trizio, due isotopi che richiedono meno energia rispetto all’idrogeno. Nel deuterio e trizio, rispettivamente, il nucleo è formato da un protone e un neutrone oppure un protone e due neutroni.
La fusione nucleare a confinamento inerziale
I fisici hanno innescato la relazione con la fusione a confinamento inerziale, sfruttando 192 raggi laser (frutto dello split di un impulso infrarosso) ad elevatissima energia, convertiti in luce ultravioletta. L’obiettivo consisteva nel colpire in una frazione di secondo il bersaglio, una sfera delle dimensioni di un grano di pepe, di deuterio e trizio allo stato solido.
Riscaldata a milioni di gradi, il target d’oro, della dimensione di una gomma da matita che contiene la sfera grande quanto un grano di pepe, emette raggi X che vaporizzano il guscio di diamante della capsula. Il diamante esplode e fa implodere la sfera, che a questo punto, per pochi istanti, comincia a comprimersi e a scaldarsi fino ad innescare la fusione, circa 3 milioni di gradi, fondendo i nuclei di deuterio e trizio e liberando neutroni che trasportano energia.
Un processo affine a ciò che accade nelle stelle. “Una vera innovazione”, ha esclamato Anne White, fisico del plasma presso il Massachusetts Institute of Technology. “Il fenomeno fisico è stato dimostrato”, afferma Riccardo Betti del Laboratory for Laser Energetics della University of Rochester.
Utilizzando circa 2 megajoule (MJ) di energia laser, i neutroni generati hanno sprigionato poco più 3 megajoule di energia. Hanno prodotto un guadagno energetico modesto, ma netto. “Qualcosa sta funzionando”, ha commentato Steven Rose dell’Imperial College di Londra.
Le cifre in gioco
Ma se il progresso è evidente, “bisogna abbandonare i toni trionfalistici”, sottolinea Piero Martin, che ci riporta coi piedi per terra: “C’è moltissima strada da fare”.
Sono serviti 2,05 megajoule forniti dai laser al bersaglio, per produrre 3,15 megajoule. Per la prima volta, la reazione ha presentato un bilancio netto pari a 1,1 MJ. Pari al consumo domestico di 0,3 chilowattora ovvero “venti minuti di un phon di quelli scarsi”, come ha commentato con un tweet Marco Cattaneo, direttore de Le Scienze, per un esperimento costato circa 3,5 miliardi di dollari.
La conferenza stampa ha spiegato che l’energia è stata liberata “il tempo che la luce ci impiega a percorrere un pollice”. Poiché la luce viaggia a 300 mila chilometri al secondo, l’energia è stata prodotta in un impulso di un decimo di miliardesimo di secondo. Il problema è contenere l’energia prodotta e sfruttarla.
Fusione nucleare: gli ostacoli nel confinamento inerziale con il laser
Il Dipartimento dell’Energia Usa ha fatto benissimo a dare grande risalto all’esperimento. Dimostra che i progressi scientifici ci sono e che bisogna investire non solo sulla fissione (problematica a causa delle scorie nucleari), ma anche sulla fusione nucleare. Innanzitutto, perché l’energia nucleare non produce CO2 (o meglio poca) e quindi è adatta ad accompagnare la transizione energetica. In secondo luogo, perché i progressi nella scienza hanno sempre impatti importanti su tutto l’ecosistema.
Tuttavia il processo complessivo è ancora inefficiente. Secondo l’Economist, i problemi principali per arrivare a un reattore sono due. Solo una frazione dell’energia arriva davvero al bersaglio perché serve anche energia per generare i raggi che colpiscono la sfera e innescano la reazione. Inoltre, non sono trascurabili le difficoltà ingegneristiche nel trasformare l’energia cinetica dei prodotti della fusione in elettricità.
Altro problema è che il trizio, che è un isotopo radioattivo e ha un’emivita di 12 anni, deve essere sintetizzato. Ecco gli altri ostacoli da superare.
Cresce l’interesse dei privati
Dagli anni ’80 si dice che la fusione sarà una realtà fra trent’anni, da allora i passi avanti non sono mancati. Per la prima volta, per esempio, sono emerse idee nuove, si sono fatte avanti aziende reali che investono soldi veri nel settore privato.
Infatti, “il fatto nuovo, rispetto a un anno fa, è l’enorme crescita dell’interesse dei privati nei confronti della fusione. Nell’ultimo anno sono stati investiti circa 4,5 miliardi di dollari di capitali privati“, mette in evidenza il professor Martin, “anche rispetto ai finanziamenti pubblici”.
Pochi progetti però coinvolgono la complicata tecnologia del confinamento inerziale con laser. Perfino i laser più moderni usati da Nif (che ha aperto i battenti nel 2009) non sono in grado di superare le inefficienze inerenti il processo complessivo.
Confronto fra fusione a confinamento inerziale con laser e quello magnetico
Numerosi progetti commerciali sono basati su tokamak, un approccio che risale al 1950, per produrre il plasma dal deuterio-trizio e poi sfruttare le geometrie del campo magnetico per determinare le dinamiche controllate del flusso del plasma all’interno del toroide. Quest’ultimo è una camera in alto vuoto a forma di ciambella dove avviene la reazione di fusione. La sfida del tokamak è rendere il processo robusto e semplice, come promette ITER in Francia. “Un progetto che riceve nuovi stimoli, dopo la riuscita dell’esperimento annunciato negli USA”, sottolinea Piero Martin: “Infatti, è uno stimolo tutto ciò che porta conoscenza e non bisogna dare letture di competizione, anche se la scienza è fatta anche di competizione e il metodo scientifico è quello della riproducibilità, del confronto e della verifica ex-post”.
Il settore privato sta esplorando anche altre strade. Se l’energia da fusione nucleare avrà un futuro commerciale con la tecnologia da confinamento inerziale con laser, è tutto da vedere. “L’approccio laser è assai complicato”, conferma Piero Martin: “Si tratta di un sistema gigantesco, complesso. E non è facile pensare alla sua portabilità verso una centrale, anche se non lo è neanche con il confinamento magnetico. Però un reattore di quest’ultimo tipo è più concepibile. Concordo con i fisici che ammettono che l’esperimento ha segnato un passaggio interessante e di progresso della fusione inerziale, ma nel suo complesso, sotto il profilo ingegneristico, il confinamento magnetico appare più avanti sotto il profilo dell’applicabilità”.
Il maggior ostacolo alla fusione a confinamento inerziale con laser è il break-even ingegneristico. Gli scienziati hanno spiegato che la specifica reazione ha prodotto più energia di quanta ne abbia consumata, ma ciò non è ancora vero per l’intero reattore. Mark Herrmann, il direttore del programma dei Livermore lab’s, ha spiegato che per generare 3.15 megajoule di energia, il laboratorio ha consumato circa 300 megajoule di energia per “sparare” il raggio laser.
Invece “il confinamento magnetico, per certi versi, è più standard e dunque più fattibile”, evidenzia il fisico che abbiamo intervistato.
Energia: senza CO2 né pregiudizi
Siamo lontani dal poter considerare la fusione come vero un rivale per la fissione, il fotovoltaico o l’eolico, le energie che non rilasciano CO2 e offrono già oggi tecnologie, mature e attuabili, per effettuare la transizione energetica. Anzi, sono tutte complementari in vista della decarbonizzazione.
Sarebbe un errore insomma distoglierci dalle soluzioni green già disponibili, che ci servono subito per affrontare il cambiamento climatico.
La fusione nucleare si può ipotizzare che non sia pronta prima del 2050. Tuttavia “bisogna dire che c’è un cambiamento frutto della guerra e della presa di consapevolezza della crisi energetica. Si sta registrando un enorme interesse anche nei confronti della fusione nucleare.
Ciò potrebbe imprimere un’accelerazione. Il mondo ha scoperto che è problematica la dipendenza dai combustibili fossili (per motivi di sostenibilità ambientale, fattori geopolitici eccetera, ndr). Dunque è necessario non avere alcun pregiudizio nel comporre il paniere energetico”, conclude il professor Martin: “Bisogna guardare senza pregiudizi a tutto ciò che ci permette di produrre energia senza immettere anidride carbonica”.
