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Fusione a confinamento magnetico

Una fonte di energia sicura, sostenibile e inesauribile: una svolta nel percorso di decarbonizzazione.

La tecnologia

La fusione di due nuclei d’idrogeno libera un’enorme quantità di energia ed è la reazione fisica, totalmente naturale, che alimenta il Sole e le altre stelle. Il suo grande vantaggio è che non emette gas a effetto serra né sostanze fortemente inquinanti o altamente radioattive, rendendola una fonte energetica estremamente interessante. Lo svantaggio è che è molto difficile da replicare artificialmente sulla Terra perché richiede l’utilizzo di plasma a temperature elevatissime. Per arrivare a riprodurla e renderla utilizzabile si sta studiando la tecnologia del confinamento magnetico che, come dice il nome, impiega campi magnetici potentissimi per gestire il plasma in cui avviene la fusione. L’idrogeno nel plasma viene utilizzato sotto forma di due suoi isotopi e cioè il deuterio e il trizio, i cui nuclei, oltre a un protone, possiedono rispettivamente uno e due neutroni. Il sole invece usa il prozio, l’isotopo di idrogeno di gran lunga più abbondante nell’Universo (99,98%), totalmente privo di neutroni. Qualunque sia la forma di partenza, fondendo tra loro due nuclei di idrogeno si ottiene energia, neutroni ed elio, un gas nobile totalmente innocuo. In altre parole, si produce energia a impatto zero: ecco perché stiamo puntando sulla fusione a confinamento magnetico e perché collaboriamo con importanti enti di ricerca pubblici e privati per svilupparla, considerandola una svolta nel percorso di decarbonizzazione.  

Il contesto

La fusione a confinamento magnetico promette una vera e propria rivoluzione in campo energetico perché, una volta sviluppata a livello industriale, permetterebbe di avere a disposizione una fonte di energia pulita, sicura e praticamente inesauribile. Studiare, progettare e realizzare macchine in grado di gestire reazioni fisiche simili a quelle che avvengono nel cuore delle stelle è il traguardo tecnologico a cui tendono le più grandi eccellenze mondiali nella ricerca in ambito energetico. Consapevoli dell’importanza strategica di far parte di questa sfida, dal 2018 stiamo lavorando con il Commonwealth Fusion Systems (CFS), spin-out del Massachusetts Institute of Technology (MIT), per realizzare un prototipo di reattore che dovrebbe essere disponibile nel 2025: si chiamerà SPARC e sarà in grado di gestire e confinare il plasma, ovvero la miscela di deuterio e trizio portata a temperature altissime da fasci di onde elettromagnetiche per creare le condizioni di fusione controllata. Il patrimonio di conoscenze acquisite dalla sperimentazione ci consentirà quindi di progettare e realizzare ARC, il primo reattore capace di immettere energia da fusione nella rete elettrica che, secondo la tabella di marcia, sarà disponibile entro il 2033.

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SUPERVELOCE#3 - Obiettivo: energia pulita

La sfida tecnica

La fusione avviene quando due nuclei di isotopi dell’idrogeno si avvicinano tanto da unirsi e formare un nuovo elemento più pesante, come l’elio. Ma per fondere due particelle aventi la stessa carica, che quindi tendono a respingersi elettrostaticamente, è necessario raggiungere temperature di centinaia di milioni di gradi. L’agitazione termica che permette la fusione avviene in un gas ad altissima temperatura chiamato plasma. Il principale nodo tecnico da sciogliere è proprio la gestione del plasma incandescente che – per evitare si raffreddi o danneggi l’impianto che lo contiene - deve essere confinato in uno spazio limitato e mantenuto sospeso nell’aria. Per far questo si utilizza il cosiddetto Tokamak, un dispositivo a forma di ciambella in cui, attraverso un campo magnetico generato da bobine poste intorno alla camera, il plasma viene tenuto sospeso impedendone il contatto con le pareti interne. Da qui il nome della tecnologia: fusione a confinamento magnetico. Per sviluppare questa tecnologia abbiamo stretto importanti collaborazioni con il CFS, il MIT stesso, il CNR e l’ENEA. Con il CNR, in particolare, stiamo studiando nuovi materiali superconduttori, mentre al centro ENEA di Frascati verrà condotto il progetto Divertor Tokamak Test (DTT), mirato a realizzare una macchina sperimentale in grado di testare diverse soluzioni tecniche e fornire risposte su come gestire alcuni aspetti del processo di fusione come, ad esempio, le altissime temperature. Questi studi, inoltre, integrano le attività connesse al progetto International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) partito nel 2005, al quale partecipano Unione Europea, Federazione Russa, Stati Uniti, Giappone, Cina, Corea del Sud e India. Questo progetto prevede la costruzione di un grande reattore a fusione tipo Tokamak a Cadarache nel sud della Francia, che dovrebbe essere pronto nel 2025. Questo primo impianto fornirà le conoscenze per la costruzione di DEMO nel 2050, che dovrebbe essere il reattore dimostrativo in grado di immettere energia in rete. Rispetto ad ITER, SPARC sarà cinque volte meno potente ma avrà dimensioni sessantacinque volte più contenute e, grazie a nuovi materiali superconduttori che verranno sviluppati per la costruzione dei magneti, potrà lavorare a campi magnetici quattro volte più potenti.

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ALBERT#8 - Traguardo fusione

Integrazione industriale

Lo sviluppo della fusione a confinamento magnetico è una sfida di livello mondiale che coinvolge molte eccellenze internazionali in ambito scientifico-tecnologico e industriale, dove ognuno sta mettendo la sua esperienza e le sue competenze al servizio di una tecnologia rivoluzionaria. Per quanto riguarda Eni, oltre a collaborare con importanti enti di ricerca, abbiamo messo a disposizione dei ricercatori il nostro supercalcolatore HPC5 che, con la sua grande potenza di calcolo, permette di utilizzare modelli matematici molto complessi per descrivere la fisica del plasma e simularne il comportamento. Quando riusciremo a far sì che la fusione sia tecnologicamente matura da poter essere utilizzata a livello industriale si aprirà uno scenario inedito in cui, finalmente, potrà essere garantita una fornitura estesa di energia pulita, sicura e sostenibile. Centrali elettriche alimentate da reattori a fusione potranno soddisfare la crescente richiesta di energia di grandi insediamenti produttivi e urbani, mantenendo una elevata sostenibilità. Impianti di dimensioni più piccole, integrati con le fonti rinnovabili, potranno al tempo stesso facilitare l’alimentazione energetica di piccole comunità e realtà off-grid.

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ALBERT#7 - Fusione, il Sole sulla Terra

L'impatto sull'ambiente

L’energia prodotta dal processo di fusione è virtualmente infinita, sicura e a zero emissioni di gas climalteranti e di inquinanti. Basti pensare che per ottenere la stessa energia prodotta da 8.500 tonnellate di benzina è necessario solamente un chilogrammo di “carburante da fusione”, senza che questo comporti il rilascio di gas serra. La strada verso questa tecnologia rivoluzionaria è lunga, ma percorrerla significa puntare verso un futuro sostenibile.