Fusione nucleare: l’alternativa troppo a lungo rimandata

Una tecnologia che offre vantaggi illimitati, presenta una sfida tecnologica non indifferente e richiede soprattutto una nuova volontà politica.

La fusione nucleare presenta concrete prospettive per la risoluzione dei principali problemi energetici dell’economia mondiale, consentendole di entrare in una fase di rapida espansione.

All’inizio degli anni Settanta gli esperti del settore nucleare ritenevano molto ragionevolmente che nel giro di uno o massimo due decenni la fusione termonucleare avrebbe provveduto ovunque al fabbisogno di potenza elettrica e sarebbe stata ampiamente utilizzata anche nelle applicazioni industriali dirette. L’energia di fissione era considerata di conseguenza una soluzione transitoria, non tanto per i presunti rischi, quanto per i costi derivanti dalla sicurezza e dallo stoccaggio delle scorie. Il vero nucleare sarebbe dovuto essere la fusione, perché i grandi vantaggi tecnici ed economici che presenta sono evidenti. A quell’epoca Lyndon LaRouche costituì la Fondazione per l’Energia di Fusione, a cui aderirono ricercatori famosi, allo scopo di promuovere gli spunti più originali ed innovativi della ricerca ed in particolare favorire una fruttuosa coordinazione tra i diversi approcci, dato che alcuni dei problemi affrontati rappresentano una vera e propria sfida alle concezioni vigenti della fisica.

Mentre LaRouche proponeva di bruciare le tappe con un “programma d’urto”, la generale tendenza al post-industriale dell’ultimo trentennio ha decretato una costante riduzione dei fondi alla ricerca, relegando la fusione tra le curiosità delle fonti di energia alternative come l’eolica e la solare.

I vantaggi della fusione:

  • È la forma più “concentrata” di energia che si conosca, e per questo motivo prospetta tutta una serie di nuove applicazioni dirette oltre alla produzione di potenza elettrica. (Prima tra tutte la propulsione spaziale);

  • È l’energia più pulita che si conosca, non avendo scorie radioattive né dispersione termica apprezzabile;

  • È l’energia più sicura, in quanto ogni interferenza nel processo di fusione conduce inevitabilmente allo spegnimento della reazione;

  • Come tecnologia matura sarà realizzabile quasi ovunque giacché non dipende dalla disponibilità di materie prime: il suo “carburante” si estrae dall’acqua.

Come mostra lo schema, si tratta di costringere due atomi a fondersi l’uno con l’altro. La reazione produce un nuovo atomo più pesante di elio, l’emissione di una particella e lo sprigionamento di molta energia.

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Affinché tale reazione possa aver luogo, occorre creare le condizioni in cui si vincono le enormi forze repulsive degli atomi: temperature di diversi milioni di gradi e un particolare stato di “confinamento”. Sono condizioni straordinarie che richiedono mezzi tecnologici qualitativamente nuovi. Le difficoltà principali della fusione si collocano qui, come rendere tecnicamente sfruttabile una reazione controllabilissima. La ricerca e lo sviluppo della fusione è un investimento nel futuro e per quanto i mezzi finanziari richiesti possano apparire ingenti la garanzia di copertura del futuro fabbisogno energetico e le innumerevoli ricadute tecnologiche garantiscono una indubbia economicità dell’impresa.

Storicamente le vie seguite dai ricercatori per creare le condizioni di fusione sono essenzialmente due: “il confinamento magnetico” e il “confinamento inerziale”. In passato sono stati seguiti diversi percorsi d’indagine, che hanno prodotto risultati ed esperienze interessanti, ma il continuo ridimensionamento dei finanziamenti non ha permesso di arrivare a dei veri e propri prototipi dimostrativi.

“Confinamento magnetico”, l’ITER

Oggi la ricerca sulla fusione si concentra essenzialmente su un progetto principale, l’International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER, nel quale uniscono gli sforzi l’Unione Europea, il Canada, il Giappone e la Federazione Russa.

Il progetto risale al 1985. Fu presentato nel contesto dell’incontro al vertice tra Reagan e Gorbaciov in cui fu approvata la costruzione del primo reattore a fusione sperimentale secondo una proposta formulata dallo scienziato russo E.P. Velikhov. Successivamente l’Unione Europea, il Giappone ed in Canada furono invitati ad unirsi in questa impresa che raccoglie le esperienze degli scienziati di una quindicina di paesi nel campo dei plasmi ad alta temperatura e nell’ingegneristica dei reattori.

Il primo progetto, che si riproponeva degli obiettivi davvero ambiziosi, fu completato nel 1997 con un preventivo complessivo di 8 miliardi di dollari. Nel clima politico generalmente deciso a ridurre i bilanci per la ricerca la somma fu giudicata eccessiva e già l’anno successivo gli esperti avevano messo a punto un nuovo progetto di massima nel quale, pur rinunciando ad alcuni obiettivi del progetto, si prospettava di mettere a punto un reattore capace di generare centinaia di megawatt di potenza per un certo tempo, riducendo i costi del 40 o 50 per cento.

Il completamento della nuova progettazione ingegneristica esigeva una proroga, e le parti dovevano rinnovare i loro accordi per tre anni, dal 1998 al 2001, per avere il progetto definitivo da sottoporre all’approvazione per la costruzione.

Negli USA però il Ministero dell’Energia non riuscì ad ottenere lo stanziamento aggiuntivo di 12 milioni di dollari necessario per restare nel progetto ITER. Gli stanziamenti previsti si fermavano al 1998, e l’amministrazione Clinton non volle intervenire presso il Congresso affinché approvasse la proroga.

Gli altri partner dell’ITER dovettero quindi completare la progettazione del prototipo senza gli Stati Uniti sui quali però il Giappone ha continuato a fare pressioni affinché rientrino nel progetto.

Il 3 aprile 2001 la Commissione Atomica Giapponese ha approvato un documento ufficiale della Commissione Speciale dell’ITER dello stesso Giappone in cui si afferma: “Allo stato attuale è difficile stimare con precisione i costi complessivi per la realizzazione dell’energia di fusione. E soprattutto è pressoché impossibile stimare i profitti derivanti dalla realizzazione dell’energia di fusione. Si comprende però che l’investimento nello sviluppo dell’energia di fusione è considerato come una polizza assicurativa che garantisce un maggiore grado di libertà all’umanità nel futuro”.

Il 17 luglio 2001 la International Atomic Energy Agency (IAEA) ha ufficialmente sancito il completamento della progettazione dell’ITER in cui vede “una tappa decisiva nella ricerca per la fusione”. L’IAEA ha notato inoltre che l’ITER “sarà in grado di generare 500 megawatt di potenza di fusione per alcune centinaia di secondi”, e che potrebbe “condurre alla costruzione di un impianto dimostrativo per generare grandi quantità di elettricità”.

A questo punto resta solo da decidere, forse entro la fine del 2002, il paese che ospiterà questo reattore, il cui costo è stato stimato dal direttore del progetto Robert Aymar attorno ai 4 miliardi di dollari e la cui costruzione dovrebbe durare quattro anni.

“Confinamento inerziale”, la macchina-Z

Un metodo alternativo, quello del “confinamento inerziale”, prevede l’innesco di microesplosioni, dello stesso tipo della bomba all’idrogeno, i cui effetti sono contenuti nella camera di reazione. Le microesplosioni sono ripetute in successione, tanto frequentemente da dare un flusso continuo di energia. Il carburante è rappresentato da minuscole pillole, le “pellet”. L’innesco, dovuto ad una forte scarica di energia, deve avvenire tanto rapidamente da provocare le reazioni di fusione nella “pellet” prima che si frantumi in frammenti che volano via per inerzia o che il plasma che si produce possa disperdersi senza dare vita alle reazioni di fusione.

Le condizioni di innesco nella fusione a confinamento inerziale, hanno fatto dei rapidi progressi grazie allo sviluppo dei laser. Inoltre, sul piano politico questo tipo di ricerca gode del favore degli ambienti militari che preferiscono rinunciare ai costosissimi test atomici su scala reale e usare i risultati della ricerca in laboratorio per migliorare questo tipo di arma.

Anche se la parte più importante della ricerca è coperta dal segreto, gli sviluppi del settore sono notevoli. Nel 1978 si calcolava che per l’innesco di una “pellet” grande come un grano di pepe occorresse un laser di 100 Terawatt di potenza (da “somministrare” però solo per una durata inimmaginabilmente breve: 10 nanosecondi). I laser di allora erano ancora lontani da tale potenza. Oggi si calcola invece che la potenza necessaria per l’innesco sia maggiore, 500 Terawatt. Un sistema laser di tale potenza è attualmente in costruzione negli USA presso la National Ignition Facility (NIF).

A ciò si aggiungano i laser di potenza superiore ai 1000 Terawatt, la nuova generazione di laser dell’ultimo decennio. Si tratta dei cosiddetti “Petawatt Laser” (laser nell’ordine del milione di miliardi di watt di potenza). La scarica emessa dai Laser Petawatt è sì potentissima, ma dura solo un centesimo dei 10 Nanosecondi necessari. In ogni caso essi possono essere integrati come “rinforzo” al raggio laser principale ad alta potenza del reattore di fusione.

Una nuova prospettiva, molto promettente, è stata aperta dall’impiego dell’effetto pinch nella fusione a confinamento inerziale. L’idea di fondo è semplice e geniale. Il plasma è composto di particelle cariche negativamente e positivamente ed è quindi possibile farlo attraversare da corrente elettrica. Dato che una corrente elettrica genera un campo magnetico che l’avvolge, il campo magnetico prodotto dal plasma attraversato da corrente avvolge il plasma e lo “strizza”. Questo “strizzamento”, o “pinch”, comporta una maggiore concentrazione del flusso elettrico nel plasma che a sua volta induce un campo magnetico ancora più forte e quindi un “pinch” ancora maggiore, ecc.

All’idea si lavora al “Sandia National Laboratory” negli USA. I ricercatori del centro impiegano un Plasmapinch in una cavità per produrre i raggi X con cui bruciare la pellet. L’energia immessa viene concentrata in energia raggiante, che è almeno tre volte più efficiente dei laser ad alta potenza, un fattore di notevole importanza per le applicazioni economiche del reattore.

Nel laboratorio di Sandia, nel New Mexico, è stata messa a punto una “macchina Z”, capace di generare una scarica che può raggiungere i 20 milioni di Ampere. In tal modo sulla pellet vengono scaricati 290 terawatt di energia. Il pinch che si ottiene con i raggi X si è rivelato particolarmente stabile, tanto che i ricercatori sono convinti che si possa presto raggiungere una scarica della durata di alcuni nanosecondi, quando l’intensità di corrente si porta a 60 milioni di Ampere, ciò che occorre per raggiungere la “ignizione” della Fusione.

All’atto pratico sarebbe già possibile progettare questo esperimento di accensione, il cui costo complessivo è stimato nell’ordine dei 400 milioni di dollari. È meno di quanto possa sembrare: il costo complessivo del salto di generazione dei computer per il fatidico anno 2000 per l’economia americana è stato 250 volte maggiore.

Fusione nucleare: motore della ripresa economica