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ARGOMENTO: SVILUPPI TECNOLOGICI
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: INNOVAZIONE
parole chiave: Fusione termonucleare
Uno i progetti più ambiziosi dell’ingegneria è la possibilità di sfruttare la fusione termonucleare controllata per produrre energia elettrica dalla fusione di due atomi. Sebbene essa sia ancora ad uno stato sperimentale e si stima potrebbe essere disponibile tra circa cinquant’anni, la ricerca sta facendo passi da gigante e non è escluso che con l’aiuto dell’Intelligenza artificiale il processo potrebbe accelerarsi regalando all’Umanità energia pulita. A tal riguardo l’Italia è all’avanguardia e, già nel 2019, ITER e il Consorzio di Padova costituito da Cnr, Enea, INFN, Università di Padova e Acciaierie Venete S.p.A. hanno firmato un accordo di collaborazione1 che apre alla sperimentazione per i prossimi dieci anni sui prototipi del sistema di iniezione di fasci di particelle neutre accelerate a 1MeV. Il sistema garantirà temperature di 150 milioni di gradi, mai misurate nell’Universo conosciuto, necessarie per produrre un’energia pulita, senza emissioni di CO2, sostenibile e sicura. Recentemente è stato pubblicato su Nature Communications uno studio2 inerente la generazione con successo di plasmi a campo invertito mediante iniezione di fasci neutri, una tecnologia che ha permesso di fornire una fonte diretta di corrente ionica energetica a direzione toroidale, aumentando la densità e la temperatura del plasma fino a rendere comparabili la pressione del plasma e quella magnetica. I risultati stabiliscono un metodo di formazione della configurazione a campo invertito che potrebbe offrire vantaggi tecnologici ed economici straordinari nel percorso verso un futuro sistema energetico a fusione termonucleare. L’argomento è complesso per cui facciamo un passo indietro, introducendo l’argomento grazie ad un estratto della eccellente tesi del dottor Michele Donato, università di Padova 3.
L’energia pulita del futuro
Nell’universo conosciuto circa il 99% dell’energia è data dalla fusione termonucleare, che avviene nelle stelle in maniera spontanea grazie alla loro enorme massa e gravità. Il principio che sottende alla reazione di fusione termonucleare è detto difetto di massa, ovvero alla differenza di massa tra un atomo e la somma delle masse dei protoni , dei neutroni e degli elettroni dell’atomo. Essa avviene quando due atomi leggeri si uniscono per formare un atomo più pesante la quale massa atomica è inferiore alla somma dei numeri di massa dei due atomi reagenti. Nella reazione che ne deriva viene liberata energia secondo la nota legge della relatività di Einstein.
con c che corrisponde alla velocità della luce nel vuoto, dove ? = 299792.458 ??/?, e m corrisponde alla massa.
Sebbene la reazione di fusione possa applicarsi a qualsiasi elemento, nella pratica è possibile fondere solo nuclei atomici molto leggeri. In natura la reazione di fusione che genera maggiore quantità di energia per unità di massa è quella dove i reagenti sono due protoni e due neutroni che danno luogo, fondendosi, ad un nucleo 4He. Purtroppo tale reazione non ha molte possibilità di avvenire ed è di difficile attuazione, ma fortunatamente esiste una reazione più facilmente realizzabile tra Deuterio (H2) e Trizio (H3), due isotopi dell’idrogeno che danno origine alla seguente equazione:
Questa reazione di fusione è quella con la sezione d’urto maggiore. La sezione d’urto si misura in barn dove un ???? è uguale a 10−28?2 e definisce un’area che è proporzionale alla probabilità che avvenga una fusione tra un nucleo accelerato con energia E ed un secondo nucleo.
Per far avvenire la fusione tra due nuclei essi devono collidere ma, essendo entrambi dotati di cariche positive, per la legge di Coulomb sono soggetti a forze repulsive. Essi quindi devono essere dotati di una velocità (energia cinetica) tale da superare queste forze di repulsione; una forza che viene fornita attraverso il calore che viene ceduto alla miscela di gas. Idealmente questa miscela di gas dovrebbe essere composta per metà dall’atomo di Deuterio e per metà da quello di Trizio portati alla temperatura di circa 150 milioni di gradi Kelvin (equivalenti a 12 KeV, l’unità di misura che si usa solitamente in ambito fusionistico per l’energia.
In parole semplici questa temperatura consente agli elettroni di separarsi dal nucleo e quindi consentire la formazione di un gas ionizzato chiamato plasma, costituito da particelle cariche. Il problema è che il plasma non può interagire troppo con le pareti della camera di contenimento, dove avviene la fusione, perché oltre a raffreddarsi e quindi spostarsi dalle condizioni necessarie per la fusione, potrebbe inglobare delle impurità ed influenzare la stabilità della reazione di fusione fino a comprometterla del tutto. Inoltre queste particelle, muovendosi a velocità così elevate, possono dare origine a fenomeni distruttivi per la parete della camera di contenimento. È quindi necessario confinare il plasma utilizzando dei campi magnetici generati da correnti circolanti in spire che avvolgono la camera di ignizione. Gli elettroni e ioni si muovono a spirale lungo le linee di forza del campo magnetico, applicando campi magnetici di diversa forma che fatti variare nel tempo, consentono di confinare il plasma nello spazio e costringerlo a seguire un percorso chiuso all’interno della camera di contenimento. Il plasma così confinato è però suscettibile ad alcune instabilità ed a perdita di particelle che sfuggono dalla traiettoria di confinamento. E’ quindi necessario ottimizzare il tempo di confinamento4 per far sì che venga generata una sufficiente energia di fusione per essere in grado di riscaldare il nuovo plasma immesso al fine di mantenere la necessaria densità. La configurazione maggiormente usata per le camere di confinamento è quella toroidale perché gli ioni possano proseguire continuativamente nella loro traiettoria senza collidere con le pareti. La temperatura di circa 150 milioni di gradi Kelvin potrebbe indurre a pensare che essa sia troppo elevata per qualsiasi materiale, in realtà si deve ricordare che la densità del plasma di fusione è di sei ordini di grandezza inferiore a quella di un gas a pressione atmosferica. In parole semplici, da un punto di vista energetico è come avere un gas a pressione atmosferica scaldato a 100° C..
Secondo il criterio di Lawson affinché la reazione si sostenga e si abbia la produzione di energia, il triplo prodotto, costituito da temperatura (keV), tempo di confinamento (s) e densità (particelle per metro cubo) deve verificare la disequazione sottostante.
Tale criterio definisce il guadagno Q: 
Per poter produrre più energia di quella che si introduce è quindi necessario che Q sia maggiore di 1, la cosiddetta condizione di breakeven, che avviene quando la potenza rilasciata dalle reazioni di fusione è maggiore alla potenza termica richiesta. Il 13 dicembre 2022, il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ha annunciato che il NIF aveva superato il traguardo producendo 3,15 MJ dopo aver fornito 2,05 MJ all’obiettivo, per un Q equivalente di 1,54.
Descrizione schematica della deriva del toro: le particelle nei dispositivi di confinamento del plasma magnetico toroidale, così come sono preferiti negli esperimenti di fusione nucleare, si spostano radialmente verso l’esterno se viene utilizzato un campo magnetico puramente toroidaleTorusdrift.png – Wikimedia Commons
Per confinare il plasma si usa un campo magnetico, combinazione di più campi magnetici, generato da bobine che avvolgono la camera toroidale. L’elevato valore della corrente induce l’utilizzo di materiali superconduttori mantenuti a temperature molto basse, vicino allo zero assoluto (-273.15°C), per evitare perdite ohmiche che risulterebbero troppo elevate. Il limite del campo magnetico toroidale finora è stato di 12 T. Le tipologie di confinamento magnetico che si stanno studiando sono:
– Tokamak: tipo di macchina tecnologicamente più avanzata, il cui campo magnetico risulta molto
stabile;
– Reverse Field Pinch dove la componente toroidale è dello stesso ordine di grandezza di quella poloidale, generata dalla corrente nel plasma. La macchina è meno costosa rispetto alla Tokamak e non richiede un riscaldamento ulteriore del plasma che ha però una scarsa stabilità;
– Stellarator: con questa configurazione si generano entrambe le componenti del campo magnetico dall’esterno. Il campo risultante ha un regime stabile, non pulsato come è nelle altre due tipologie ma la complessità costruttiva ed il costo sono molto elevati.
Disegno di ITER in mostra alle Giornate Internazionali dell’Energia da Fusione 2013. Monaco. Photo Credit: Conleth Brady / IAEA ITER Exhibit (01810402) (12219071813) (cropped).jpg – Wikimedia Commons
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I reattori sperimentali attualmente in funzione ed in costruzione sono principalmente macchine Tokamak. Anche ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), come si evince dal nome, è un esperimento scientifico su larga scala a cui partecipano alcuni tra i paesi tecnologicamente più sviluppati. Va compreso che ITER è un reattore sperimentale il cui scopo principale è il raggiungimento di una reazione di fusione stabile (500 MW prodotti per una durata di circa 10 minuti), validando e, se possibile, incrementando le attuali conoscenze sulla fisica del plasma. Il reattore non è progettato per convertire in elettricità la potenza termica prodotta, o per essere utilizzato per la produzione di energia elettrica. Alla fine del 2022 sono state scoperte delle fessurazioni nelle saldature dei due settori della camera del Tokamak già calati e installati all’interno del complesso e, a luglio 2024, è stato annunciato che l’impatto dei danni non permetterà di generare il primo plasma prima del 2033 e iniziare la fase deuterio-trizio prima del 2039.
Un disegno del tokamak ITER e dei sistemi integrati dell’impianto mostra la complessità dell’impianto ITER attualmente in costruzione in Francia. Fonte: Tokamak ITER e Sistemi di Impianto (2016) Autore: Oak Ridge National Laboratory
Inutile rimarcare che la ricerca sulla fusione termonucleare fornirà enormi vantaggi per l’Umanità. Per coloro che avversano il nucleare, dovrebbe essere chiaro che la fusione, a differenza della fissione attualmente utilizzata, non è una reazione a catena e questo implica che, appena ci si scosta alle condizioni ottimali o si interrompe l’apporto di combustibile, la reazione si interrompe immediatamente. Anche i macchinari impiegati, sebbene assumano una certa radioattività a fine vita, hanno tempi di dimezzamento drasticamente ridotti rispetto alla fissione nucleare dell’ordine delle decine di anni). Il trizio è un isotopo instabile dell’idrogeno e può essere maneggiato in completa sicurezza, che non necessita di essere trasportato perché si produce in loco grazie al Litio. Non ultimo, gli elementi necessari per la fusione, deuterio e litio, sono molto abbondanti e facilmente reperibili sulla Terra e questo comporta di poter produrre energia elettrica pulita e a costi minimi per milioni di anni.
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Note
1. Comunicato INFN per un accordo decennale che darà il via alla sperimentazione, a Padova, del più potente sistema di accelerazione di fasci di particelle neutre mai realizzato. Il sistema garantirà ad ITER le condizioni di temperatura estreme, 150 milioni di gradi, necessarie ad accendere le reazioni a fusione per produrre un’energia pulita, senza emissioni di CO2, sostenibile e sicura: https://www.infn.it/accordo-tra-rfx-e-iter-per-sviluppare-il-sistema-di-riscaldamento-del-futuro-reattore-a-fusione/
2. Roche, T., Dettrick, S., Fontanilla, A. et al. Generation of field-reversed configurations via neutral beam injection. Nature Communications 16, 3487 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-58849-5 https://www.nature.com/articles/s41467-025-58849-5
3. Michele Donato, Tesi di Laurea Magistrale, “Sviluppo del sistema di controllo di un convertitore switching per il recupero di energia in sistemi di iniezione di particelle neutre per esperimenti di fusione termonucleare controllata”, una tesi intesa a definire, progettare e implementare un sistema di controllo per un prototipo di circuito elettrico per il recupero di energia in sistemi per la generazione di fasci di
particelle neutre (NBI) per il riscaldamento del plasma in esperimenti di fusione termonucleare controllata. https://thesis.unipd.it/bitstream/20.500.12608/24393/1/Donato_Michele_tesi.pdf
4. Il tempo di confinamento è il tempo che intercorre tra la generazione del plasma e il suo spegnimento per raffreddamento
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