La fusione di due atomi di idrogeno è una reazione fisica che libera un’enorme quantità di energia senza emettere gas a effetto serra né sostanze inquinanti o altamente radioattive. In natura avviene da miliardi di anni all’interno del Sole e di tutte le stelle. L’obiettivo dei programmi di ricerca in corso, tra cui quello di Commonwealth Fusion System (CFS), è riuscire a riprodurla a livello industriale all’interno di reattori detti a confinamento magnetico: in questo modo si potrà disporre di una fonte energetica sicura, a zero emissioni di anidride carbonica e potenzialmente illimitata. Il combustibile impiegato, una miscela di deuterio e trizio, due isotopi dell’idrogeno, è presente in quantità praticamente illimitata sulla Terra: il deuterio è ottenuto dall’acqua di mare, mentre il trizio viene autoprodotto dal reattore attraverso una reazione fisica con il litio che è contenuto nel blanket. Questo è uno spesso rivestimento che contiene la camera di fusione. E’ composto da sale fuso (FLiBe) che deve catturare l’energia dei neutroni prodotti dalla reazione. L’unico sottoprodotto è l’elio, un gas nobile totalmente innocuo: viene utilizzato dai subacquei e per gonfiare i palloncini. Inoltre, una centrale a fusione potrà essere intrinsecamente sicura perché, in caso di malfunzionamenti, si spegnerà automaticamente senza nessun rischio. Alla fine della vita utile dell’impianto, sarà a basso impatto anche il decommissioning, le operazioni di smantellamento dell’impianto e smaltimento delle strutture, poiché i materiali utilizzati nel reattore avranno una bassa radioattività residua che si ridurrà ulteriormente in breve tempo.

Commonwealth Fusion Systems è uno spin-out del Massachusetts Institute of Technology finalizzato a velocizzare l’applicazione industriale della fusione a confinamento magnetico. Nata come start-up da un gruppo di ricercatori e scienziati provenienti dal MIT, la società ha creato una forte sinergia tra il sapere scientifico e il dinamismo delle aziende istituendo una collaborazione con il Plasma Science and Fusion Center del MIT e con i principali gruppi di investimento privati di rilevanza mondiale. Consapevole del grande valore strategico della fusione e della solidità del progetto di ricerca del CFS, nel 2018 Eni ha investito 50 milioni di dollari nella società e ne è anche oggi il principale azionista attraverso Eni Next, società di corporate venture capital del gruppo. Oltre a fornire il proprio sostegno finanziario, Eni fa parte del Consiglio di Amministrazione e assicura il proprio contributo anche in termini di risorse e know how industriale. Eni è la prima compagnia proveniente dal mondo degli idrocarburi a sostenere la ricerca in questo settore strategico per la decarbonizzazione. Per arrivare in tempi brevi alla progettazione e realizzazione di un primo impianto per la produzione di energia da fusione, Commonwealth Fusion Systems conta su un team internazionale e multidisciplinare di esperti nell’ambito della fisica dei plasmi, dello sviluppo dei magneti a superconduzione, dell’ingegneria industriale e delle catene di fornitura e distribuzione dell’energia. Il primo obiettivo è arrivare a costruire e testare entro il 2025 il primo impianto pilota: si chiamerà SPARC e avrà un diametro di circa sei metri. Il suo obiettivo sarà confermare il corretto funzionamento dei magneti per la configurazione toroidale e il raggiungimento del bilancio positivo di energia netta. Permetterà di studiare la gestione della potenza e la stabilità del plasma, la resistenza dei materiali nell’ambiente di fusione e l’apparato di iniezione del combustibile. SPARC, a sua volta, farà da banco di prova per lo sviluppo di ARC: il primo reattore dimostrativo su scala industriale completo dei sistemi per la raccolta dei neutroni e per la produzione di energia e in grado di immettere in rete elettricità a zero emissioni di CO₂, la cui realizzazione è prevista entro il 2033. Un risultato fondamentale è già stato raggiunto nel settembre 2021 con la sperimentazione del primo prototipo di supermagnete con tecnologia superconduttiva HTS (High Temperature Superconductors): una vera e propria svolta nel percorso per ottenere il primo impianto commerciale per l’energia da fusione.

La possibilità di utilizzare l’enorme potenziale della fusione per produrre elettricità a zero emissioni di CO₂ dipende in massima parte dal riuscire a progettare e costruire una centrale in grado di generare più energia di quanta ne richieda per funzionare. Se la teoria è nota ai fisici dagli anni ’50 del secolo scorso, i tentativi per applicarla nella realtà si sono scontrati, finora, con una serie di sfide prima di tutto teoriche, legate alla modellazione di plasmi a temperature elevatissime, ma anche ingegneristiche in quanto connesse, fra l’altro, con la necessità di confinare questi plasmi all’intero dell’impianto. Per ottenere la fusione dell’idrogeno, in primo luogo, è necessario portare la miscela di deuterio e trizio a temperature superiori ai 100 milioni di gradi. Nessun materiale sulla Terra può resistere a queste condizioni per cui il plasma deve essere contenuto e mantenuto sospeso all’interno del reattore. Per far questo si può utilizzare la tecnologia tokamak, acronimo russo che sta per "camera toroidale magnetica": un dispositivo a forma di ciambella (toroide) in cui, grazie a un intenso campo di induzione magnetica generato da magneti a superconduttori, il plasma viene creato, alimentato e fatto fluttuare vorticosamente in alto vuoto impedendo che venga a contatto con le pareti. Da qui il nome della tecnologia: fusione a confinamento magnetico. I magneti impiegano la tecnologia dei superconduttori, già disponibile per applicazioni industriali da molto tempo: per esempio in medicina, nella risonanza magnetica. Tutti i superconduttori, però, lavorano a temperature molto basse. Nei supermagneti progettati finora per la fusione (LTS - Low Temperature Superconductors) si utilizzano materiali che richiedono temperature prossime allo zero assoluto e cioè -273 °Celsius: il limite assoluto di temperatura dove tutta la materia è perfettamente immobile. L’uso degli LTS costringe a costruire macchine di dimensioni colossali per ottenere le condizioni di fusione sufficienti allo sviluppo industriale. I supermagneti realizzati e testati con successo dal Commonwealth Fusion Systems, invece, utilizzano un tipo innovativo di superconduttori industriali a base di ossidi di terre rare, bario e rame (ReBCO - Rare Earth Barium Copper Oxide) definiti “ad alta temperatura” (HTS - High Temperature Superconductors) perché richiedono temperature di “solo” - 253 ° Celsius. Proprio questa differenza, in apparenza di poca entità, permette di ottenere un risparmio decisivo in termini sia energetici sia di gestione operativa, rendendo possibile la generazione di correnti molto più alte per la creazione dei campi magnetici. Questo consentirà di realizzare reattori molto più compatti, semplici ed efficienti di quelli fino ad ora concepiti.

Ad esempio, rispetto a ITER – oggi in costruzione il reattore dimostrativo SPARC sarà cinque volte meno potente, ma avrà dimensioni sessantacinque volte più contenute e potrà lavorare a campi magnetici quattro volte più potenti. Nel test del settembre 2021, il prototipo di supermagnete in scala 1:1 realizzato da Commonwealth Fusion Systems è stato percorso da una corrente elettrica con intensità di 40.000 Ampere e ha generato un campo con densità di flusso magnetico pari a 20 Tesla: un record che dimostra l’importanza strategica di questa tecnologia per arrivare a realizzare il primo reattore a fusione.

L’applicazione industriale della fusione a confinamento magnetico sarà un vero game changer nel percorso di decarbonizzazione poiché permetterà di generare grandi quantità di energia in modo sicuro, virtualmente illimitato e senza alcuna emissione di gas serra. Il tipo di centrale progettata dal CFS, compatta ed efficienta, si presta per una applicazione diffusa che potrà essere integrata con le rinnovabili dove non arriva la rete elettrica. La fusione, inoltre, diventerà sempre più importante e necessaria man mano che ci avvicinerà al punto massimo di espansione delle rinnovabili, ipotizzabile attorno al 2040 quando, per motivi tecnici, non sarà più possibile realizzare altri impianti per la generazione eolica e solare. Una valutazione di CFS ha ipotizzato che per il 2050 la fusione a confinamento magnetico potrebbe fornire un contributo del 20% al fabbisogno energetico mondiale senza produrre CO₂ o altri gas serra, grazie a 10.000 impianti distribuiti a livello globale.