Tokamak, la promessa della fusione magnetica

Il carbonio ha alimentato gran parte dell'industria così come la conosciamo, ma ormai il suo destino è chiaro. È necessario decarbonizzare per combattere l'accelerazione del cambiamento climatico. Tra le diverse fonti di energia alternative e tra le tecnologie allo studio troviamo anche la fusione a confinamento magnetico, una fonte di energia con un processo privo di emissioni di carbonio. Il processo di fusione si basa appunto sulla “fusione” o unione di atomi leggeri (come isotopi dell’idrogeno) grazie alle altissime temperature, liberando enormi quantità di energia e rendendola una fonte molto più efficiente di quella fossile.

Ad esempio, un solo grammo di isotopi di idrogeno, comunemente usati nel processo, potrà infatti generare la stessa quantità di energia di 11 tonnellate di carbone (stima dell'Institute of Electrical and Electronics Engineers).

Il Sole, come tutte le stelle, è una fucina per la fusione, dove i nuclei di idrogeno si uniscono, formando elio e rilasciando energia.  Le elevatissime forze gravitazionali determinano, al centro delle stelle, pressioni che contribuiscono a rendere possibile il processo di fusione.

La temperatura di quasi 10 milioni di gradi centigradi che ivi si determina contribuisce a portare gli atomi nello stato di plasma, il quarto stato della materia. In esso gli atomi di idrogeno sono ad uno stato eccitato tale da non essere più in grado di trattenere i propri elettroni. In questo modo, il nucleo, caricato positivamente, può fluttuare. Normalmente, due nuclei caricati positivamente non si fondono a causa delle forze elettrostatiche di repulsione. Tuttavia, nelle stelle, le forze gravitazionali in gioco permettono di accelerare le particelle fino a vincere la reciproca forza di repulsione, per poi fondersi.

Riprodurre condizioni paragonabili, sulla Terra, priva delle immense forze gravitazionali associate all’enorme massa del Sole, richiede sforzi di ricerca e tecnologici enormi, ai quali stanno lavorando molti Paesi. Il tokamak, un dispositivo inventato nel 1950, potrebbe essere la soluzione.

In costruzione nel sud della Francia, l'International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), una delle attuali istanze del tokamak, la più grande al mondo per dimensioni, è il risultato della collaborazione tra 35 paesi. Mentre sul Sole le reazioni di fusione si mantengono grazie alle condizioni estreme che si determinano nel suo nucleo, i processi per ottenere la fusione magnetica sulla Terra sono limitati principalmente dalla difficoltà: ad ottenere le alte temperature necessarie per raggiungere lo stato di plasma, a confinare tale plasma in uno spazio ristretto, a sostenere il plasma nel tempo e, infine, a raccogliere l'energia generata, trasformandola in elettricità.

Si prevede che il progetto ITER possa essere in grado di generare una potenza di plasma 10 volte maggiore (500 MW) di quanta ne assorbirà.

La fusione a confinamento magnetico (MCF, dal suo acronimo inglese “Magnetically Confined Fusion”) è uno dei metodi più studiati e sperimentati per cercare di riprodurre questo fenomeno e per riuscire a sfruttare l’energia da fusione. 

Un tokamak è costituito da una camera in alto vuoto a forma di ciambella (geometricamente un toroide) nella quale avviene la reazione di fusione.

Le geometrie del campo magnetico e della camera a vuoto determinano le dinamiche controllate del flusso di plasma al suo interno. L’intero dispositivo è avvolto da bobine di diverse geometrie realizzate con magneti superconduttori, che hanno la capacità di generare forti campi indotti, richiedendo una potenza ragionevolmente contenuta e contribuendo a generare, confinare e sostenere il plasma a una temperatura dell’ordine di ben 100 milioni di gradi (circa 10 volte quella del nucleo del Sole).

Il campo magnetico generato lungo tutta la circonferenza del toroide accelera le particelle e le confina cercando di minimizzare il contatto del plasma con le pareti interne del toroide. Altri campi magnetici, indotti perpendicolarmente, hanno la funzione di controllare la stabilità del plasma. Le particelle sono accelerate grazie ai sistemi di riscaldamento del plasma, portando i nuclei caricati positivamente abbastanza vicini, superando le forze elettrostatiche e consentendo dunque loro di fondersi.

Deuterio e trizio, varianti isotopiche dell'idrogeno, sono il combustibile per avere le reazioni di fusione a confinamento magnetico che avverranno nel tokamak ITER e che già avvengono nel tokamak denominato Joint European Torus (JET) nell'Oxfordshire, in Inghilterra.

Mentre il deuterio è disponibile in abbondanza sulla Terra (nell’acqua degli oceani, dove rappresenta una significativa percentuale dell’idrogeno totale presente), il trizio non lo è. I primi esperimenti di fusione con ITER utilizzeranno il trizio attualmente disponibile grazie a processi già noti. Successivamente al progetto ITER si prevede di testare il suo modello di tokamak dimostrativo, chiamato DEMO, che è progettato in modo da essere autosufficiente nella produzione del trizio. Ciò avverrà ricoprendo la porzione di camera rivolta verso il plasma con una serie di tessere metalliche contenenti litio (il cosiddetto “blanket”, o mantello). La fusione di deuterio e trizio crea elio e neutroni ad alta energia che verranno assorbiti da uno degli isotopi del litio (il ⁶Li) presenti nel mantello; la reazione dei neutroni con il ⁶Li genererà trizio. Il trizio formato in questo modo verrà raccolto all’interno del tokamak, consentendo così di alimentare la reazione di fusione.

Nel tokamak, il plasma raggiunge le alte temperature di cui ha bisogno attraverso una serie di meccanismi di riscaldamento interni ed esterni. Per prima cosa, sono i campi magnetici stessi a produrre calore, riscaldando il plasma. A questi si aggiunge una tecnica chiamata iniezione di fasci di neutri (neutral beam injection - NBI). Questa tecnica introduce calore attraverso particelle neutre; gli isotopi di idrogeno nella camera sono allo stato di plasma, che viene quindi confinato e stabilizzato attraverso il campo magnetico. Un refrigerante che circonda il mantello di litio cattura tutto il calore generato e lo raccoglie per produrre elettricità.

Anche le sfide fanno parte dell'equazione. I materiali che affacciano il plasma devono resistere alle altissime temperature, all’erosione del plasma e all’interazione con i flussi neutronici. I superconduttori che generano i campi magnetici desiderati raggiungono tale stato di superconduzione solo a temperature molto basse. A tale scopo vengono sviluppati sistemi criogenici per raffreddare le bobine poste in vicinanza ad un ambiente a temperatura così elevata. Inoltre, il trizio è un materiale debolmente radioattivo (emettitore di elettroni) e tale caratteristica comporta la necessità di gestirlo attraverso sistemi già esistenti.

Il metodo MCF non è l'unica via allo studio per ottenere la fusione.

Ad esempio, Il metodo della fusione a confinamento inerziale (Inertial Confinement Fusion - ICF) utilizza una batteria di laser impulsati sincronizzati ad altissima potenza, che colpisce un pellet di combustibile ad alte densità. Le onde d'urto degli impulsi del laser riscaldano il plasma.

Esiste poi un ulteriore approccio alla fusione, chiamato Magnetized Target Fusion (MTF): una delle sue varianti prevede una combinazione dei due metodi, quello magnetico e quello inerziale, in cui i campi magnetici confinano il plasma, che viene poi riscaldato con il laser o con un metodo alternativo. Tornando nell’ambito MCF, è allo studio, ad esempio tramite il sistema Wendelstein 7-X MCF in Germania, anche il cosiddetto “stellarator”, che assomiglia molto ad un tokamak “contorto”. Sebbene esistano altre differenze tra i due sistemi, la principale riguarda la forma delle bobine magnetiche, che determina il modo in cui lo stellarator applica le forze magnetiche al plasma. Le bobine dello stellarator sembrano un braccialetto deformato. A causa di questa forma complicata, che è studiata, anche con l’utilizzo di software dedicati, per ottimizzare l’efficacia delle forze magnetiche, lo stellarator è più complicato da costruire di un tokamak.

Allo stato attuale, il tokamak sembra comunque rimanere la soluzione preferenziale, soprattutto perché la ricerca, nel corso dei decenni, ne ha consolidato le basi scientifiche ed ingegneristiche.

Eni ha compreso il potenziale di questa tecnologia e nel 2018 è stata la prima società dell’energia ad investire in Commonwealth Fusion Systems, una società con sede a Cambridge, Massachusetts.

CFS – con Eni tutt’ora come principale azionista – a settembre 2021 ha completato un importante test, che ha dimostrato la correttezza del suo approccio tecnologico alla fusione.

Presso il Plasma Science and Fusion Center del MIT, CFS ha infatti testato con successo il magnete superconduttore ad alta temperatura più potente al mondo, dimostrando che esso può arrivare a generare un campo magnetico di intensità sufficiente per consentire al futuro tokamak compatto dell'azienda, chiamato SPARC, di confinare il plasma in un volume notevolmente inferiore rispetto ad ITER e dimostrare una produzione netta di energia (generare più energia rispetto a quella necessaria per creare il plasma e sostenerlo).

Il prossimo traguardo è fissato per il 2025, quando CFS conta di ultimare l’assemblaggio del tokamak e di ottenere il primo plasma in SPARC.
SPARC aprirà la strada ad ARC, il primo prototipo di un vero e proprio reattore e impianto commerciale, in grado di immettere energia elettrica in rete, il cui avvio è previsto da CFS per i primi anni della decade 2030.

Nel frattempo, procede la costruzione di ITER. L'assemblaggio di componenti cruciali è in corso e alcune aree sono già in fase di completamento. Sono stati compiuti importanti progressi anche sui sistemi di supporto dell'impianto, con il completamento delle torri di raffreddamento, della compensazione della potenza reattiva e del filtraggio armonico.

Lo scorso febbraio, il JET tokamak britannico ha condotto con successo un test di fusione: per la prima volta ci si è notevolmente avvicinati ad ottenere una produzione netta di energia. Il tokamak JET utilizza gli stessi materiali per le pareti e la stessa miscela di carburante che utilizzerà ITER, quindi il successo di questo esperimento rappresenta un segnale positivo per ITER stesso.

La data per il primo plasma di ITER è stata posticipata dal 2025 al 2027 a causa di ritardi legati al COVID-19 e ad altri imprevisti di progetto. Quando inizieranno le sperimentazioni con ITER, sarà possibile raccogliere fondamentali elementi di conoscenza diretta sui processi legati alla fusione e alla tecnologia tokamak, che arricchiranno l’intera comunità scientifica mondiale.

Ecco alcuni degli ultimi aggiornamenti su altri progetti relativi alla fusione, attivi in tutto il mondo:

• L’Experimental Advanced Superconducting Tokamak in Cina ha raggiunto il più lungo funzionamento continuo con plasma ad alta temperatura nel dicembre 2021, arrivando a 1.056 secondi (più di 17 minuti), secondo un rapporto di Xinhua, l’agenzia stampa ufficiale della Repubblica Popolare Cinese.
• Tokamak Energy a Oxford, in Inghilterra, a dicembre ha dichiarato di aver progettato una tecnologia di elettronica di potenza a bassissima temperatura per il funzionamento dei suoi magneti superconduttori.