Riprodurre il sole sulla terra

Sappiamo che la vita sulla terra si è sviluppata grazie alla radiazione elettromagnetica emessa dal sole che ci illumina e garantisce una giusta temperatura.

Come fa il sole, e in generale tutte le stelle, a produrre tanta energia?

Cominciamo a dire che una stella nasce in una nebulosa interstellare, quando per effetto della gravità la materia si addensa e si scalda abbastanza da innescare le prime reazioni di fusione dei nuclei d’idrogeno in elio. Questa fase iniziale della vita delle giovani stelle è anche la più lunga. L’elio, più pesante dell’idrogeno, tende a concentrarsi al centro e, quando la temperatura interna sale abbastanza, s’innesca lo stadio successivo con produzione di carbonio. Nelle fasi ancora successive, di minore durata, si sintetizzano nuclei sempre più pesanti come l’ossigeno, il silicio e infine si arriva al ferro, dove il processo si arresta. Il ferro, infatti, non consente alcuna reazione esotermica, cioè con produzione di energia.

Anche al centro del nostro sole c’è una centrale nucleare a fusione, che brucia centinaia di milioni di tonnellate d’idrogeno al secondo, convertendole in elio: un processo che produce energia sotto forma di fotoni, la radiazione che ci illumina e ci scalda, e di neutrini.

Il mito si rinnova

Nella mitologia greca Prometeo è un titano amico dell’umanità che ruba il fuoco agli dei per darlo agli uomini e per questo Zeus lo punisce incatenandolo a una rupe per poi sprofondarlo nel Tartaro, al centro della Terra.

Ancora oggi gli uomini continuano a sognare di riprodurre sulla terra un piccolo sole per avere a disposizione una fonte sostanzialmente inesauribile di energia, in altre parole di riprodurre in maniera controllata in una centrale a fusione nucleare i processi esoenergetici che avvengono nelle stelle.

L’argomento è ovviamente di grande interesse: la giusta aspirazione a condizioni di vita migliori di larghe parti della popolazione mondiale, il suo rapido incremento, la necessità di uno sfruttamento sostenibile delle risorse del pianeta, e le emergenze climatiche spingono la ricerca scientifica a cercare una fonte di energia che sia sostanzialmente sicura, rispettosa dell’ambiente, e in pratica inesauribile. La fusione nucleare controllata garantirebbe questi requisiti.

Le centrali nucleari a fusione

Finora gli uomini hanno solo sfruttato il processo di fusione per produrre le bombe H in cui le altissime temperature e pressioni necessarie per innescare il processo sono ottenute in un primo stadio in cui si fa esplodere una bomba a fissione, il processo nucleare opposto alla fusione, in cui nuclei pesanti sono scissi in nuclei più leggeri.

In una centrale nucleare si vorrebbe invece ottenere la fusione di deuterio e trizio (due isotopi dell’idrogeno) in elio e nucleoni, mantenendola in condizioni stabili e controllate per produrre grandi quantità di energia sotto forma di calore, teoricamente superiori rispetto a quelle delle centrali a fissione.

Le difficoltà tecniche nascono dal fatto che per superare la repulsione della forza elettromagnetica e innescare la fusione, occorre portare il combustibile in condizioni di altissime temperature (maggiori di 100 milioni di gradi), in cui i gas sono allo stato di plasma, cioè completamente ionizzati.

Poiché tuttavia non esiste un materiale che possa trattenerli in uno spazio confinato, si deve ricorrere a tecniche di contenimento con campi magnetici d’intensità molto elevata. Anche le tecniche di riscaldamento, tipicamente con radioonde e microonde, sono piuttosto complesse.

In sostanza, nonostante decenni di studi e tentativi, non possediamo ancora completamente la tecnologia per riuscire ad avviare la reazione di fusione in modo controllato ottenendo un bilancio energetico positivo.

ITER

Il progetto internazionale ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) si propone di dimostrare la fattibilità scientifica dell’energia da fusione e la sua fattibilità tecnologica, con l’obiettivo di produrre 500 MW di potenza da fusione con un bilancio netto pari a 10 volte la potenza in ingresso e di mantenere stabile il processo per tempi ragionevolmente lunghi (400 s).

ITER è quindi un reattore sperimentale, di tipo tokamak, a deuterio trizio, costo circa 18 miliardi di euro, che sarà il più grande mai costruito al mondo con un volume del plasma pari a 840 m³ e un raggio di 6.2 m.

I membri della Collaborazione sono l’Unione Europea, la Cina, gli Stati Uniti, l’India, la Russia e la Corea, per un totale di 34 Paesi. Migliaia d’ingegneri e fisici hanno contribuito al progetto sin dalla sua nascita nel 1985. Al momento è in fase di costruzione a Cadarache, vicino a Aix en Provence, nel sud della Francia; si prevede che il primo plasma possa essere prodotto nel 2025 e che il reattore deuterio-trizio entri in funzione nel 2035.

I magneti che devono consentire l’ignizione, il confinamento e il controllo del plasma di deuterio-trizio, costituiranno, quando saranno ultimati, il più grande sistema magnetico superconduttore. L’Italia partecipa all’ambiziosa impresa con l'azienda ASG Superconductors di Genova cui è affidata la produzione di 10 dei 19 magneti che dovranno creare il campo di confinamento.

In questi giorni il primo dei magneti destinati a ITER, (alto 14 metri e largo 9, pesante 300 tonnellate), ha lasciato la fabbrica di La Spezia di ASG Superconductors su un mezzo speciale che lo trasporterà fino all’imbarco su una nave verso Marghera, per altre fasi di lavorazione. Dopo la fase di “incassamento” il TF Coil (magnete toroidale) proseguirà quindi verso la sua destinazione finale, in Francia, per arrivare a Cadarache.

L’Italia è stata tra i pionieri della ricerca sulla fusione nucleare con le attività, avviate già alla fine degli anni 50 nel Centro CNEN (oggi ENEA) di Frascati, inizialmente dedicate alla sperimentazione sui plasmi. Oggi ENEA-Fusione partecipa alla realizzazione di ITER attraverso l'Agenzia Europea Fusion For Energy (F4E), fornendo contributi nei campi della superconduttività, dei componenti interfacciati al plasma, della neutronica, della sicurezza, del remote handling e della fisica del plasma.

Il sogno di riprodurre il sole sulla terra ha fatto quindi un passo in avanti e ci auguriamo per il bene dell’umanità che ulteriori ritardi non spostino ancora più in là nel tempo la sua piena realizzazione.