Fusione nucleare, tutti i filoni di ricerca in corso nel mondo sull’atomo “pulito” e senza scorie: dalla Gran Bretagna alla Sud Corea

• di Patrizia Licata
• 5 Ottobre 2021

La tecnologia della fusione termonucleare torna periodicamente a far discutere la politica e ad entusiasmare le aziende dell’energia. Tanto più oggi, con gli obiettivi di decarbonizzazione che rendono indispensabile trovare una fonte alternativa ai combustibili fossili per alimentare la crescita economica senza continuare a inquinare il pianeta. A fine settembre le aperture – poi in parte ritrattate – del ministro della Transizione ecologica Roberto Cingolani al nucleare di quarta generazione che promette di essere “pulito” hanno riacceso il dibattito sul possibile ruolo dell’atomo nel raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione. Negli stesso giorni Eni ha annunciato che la sua controllata Cfs (spin-out del Massachusetts Institute of Technology) ha compiuto il primo test al mondo del magnete con tecnologia superconduttiva Hts (High temperature superconductors) che assicurerà il confinamento del plasma nel processo di fusione magnetica. È stato così dimostrato il primo step della fattibilità scientifica e tecnologica della fusione nucleare come fonte di energia. Ma non è certo l’unica sperimentazione in questo campo. Anzi, la corsa è partita da anni e anche l’Italia partecipa in prima fila.

Quali Paesi sperimentano la fusione nucleare – L’Italia sta contribuendo con ricerca e tecnologie all’interno del progetto internazionale Iter (International thermonuclear experimental reactor) che sta sviluppando un reattore sperimentale per la generazione di energia basata sulla fusione nucleare e di cui fanno parte Cina, Giappone, India, Corea del Sud, Russia, Usa, Ue e Svizzera. Finanziato per più della metà dall’Unione europea, Iter ha aperto a Cadarache, in Francia, lo stabilimento in cui troverà posto il reattore. Sia Iter che Cfs si basano sulla configurazione tokamak, il reattore nucleare, e sull’approccio del confinamento magnetico: in questo contenitore gli ioni (isotopi dell’idrogeno), trasformati in plasma dalle alte temperature, reagiscono grazie a un potentissimo campo magnetico che attrae tra loro le particelle e genera energia. Nel mondo esistono vari tokamak, anche se i Paesi cui fanno capo gli investimenti e le strutture di ricerca sono sempre gli stessi – Stati Uniti, Europa, Corea del Sud, Cina. Inoltre molte sperimentazioni convergono nel progetto Iter.

La costellazione di Iter: i tokamak che confluiscono nel progetto europeo – Il principale è il Jet (Joint European Torus), propedeutico al progetto Iter tanto da essere soprannominato “piccolo Iter”. Si tratta della struttura di ricerca sulla fusione nucleare costruita in Gran Bretagna (presso il Culham Centre for Fusion Energy) e parte dell’Euro-Fusion Programme. Jet studia il comportamento del plasma in condizioni simili a quelle che si hanno nel tokamak. Oggi il compito principale di Jet è gettare le basi per l’operatività di Iter e testarne le tecnologie. Sempre a Culham è attivo il progetto Mast Upgrade che testa la tecnologia per i reattori, i problemi di fisica connessi e la possibilità di costruire centrali compatte per la fusione nucleare. Anche questo agisce nell’ambito di Iter.

Ponte tra Corea e Usa per il dopo Iter – Anche il Kstar (Korean Superconducting Tokamak Reactor) del National Fusion Research Institute (Nfri) di Daejeon, in Sud Corea, è un dispositivo pilota che confluisce nel progetto Iter. In collaborazione con il Princeton Plasma Physics Laboratory (Pppl) del dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, l’istituto coreano Nfri ha anche avviato il progetto K-Demo, un tokamak che intende rappresentare il passo successivo del progetto Iter, perché immetterà energia nella rete elettrica. Il laboratorio di Pppl prevede che genererà circa 1 miliardo di watt di energia per diverse settimane di seguito, un output decisamente superiore a quello fissato come obiettivo da Iter (500 milioni di watt per 500 secondi dopo il 2025).

Come si sta muovendo la Cina – Al lavoro sulla fusione nucleare a confinamento magnetico c’è, naturalmente, anche la Cina, con il tokamak East (Experimental Advanced Superconducting Tokamak) presso l’Hefei Institutes of Physical Science (Hfips) dell’Accademia cinese delle scienze. East ha prodotto plasma dall’idrogeno per la prima volta nel 2017; a maggio 2021 l’Hfips ha annunciato di aver ottenuto un “record mondiale” mantenendo il plasma a 120 milioni di gradi Celsius per 101 secondi. Questi risultati serviranno alla fase successiva del progetto, il China Fusion Engineering Test Reactor (Cfetr). Il tokamak Cfetr, secondo le fonti della Cina, sarà completato nel 2030 e sarà più grande di quello di Iter (attualmente il maggiore).

La prima società privata è in Gran Bretagna – Dal Culham Centre for Fusion Energy è nato nel 2009 lo spin-off Tokamak Energy, società privata che si occupa di ricerca sulla fusione nucleare. Il suo prototipo di tokamak, l’ST40, che l’azienda definisce “il più avanzato tokamak sferico compatto nel mondo”, usa la tecnologia superconduttiva Hts per il confinamento magnetico come l’esperimento di Eni-Cfs. L’obiettivo entro la fine di quest’anno è di portare l’ST40 a gestire plasma a 100 milioni di gradi Celsius. Una “pietra miliare per la fusione commerciale”, si legge sul sito di Tokamak Energy, che sarebbe così la prima società fondata e finanziata da privati (per un totale di 100 milioni di sterline già raccolti) a raggiungere il traguardo. Tokamak Energy è finanziata però anche da fondi pubblici, tra cui 10 milioni di sterline del governo britannico (nell’ambito del programma Advanced Modular Reactor) e “cinque grant” dal dipartimento dell’Energia Usa. La società britannica collabora con il già citato Princeton Plasma Physics Laboratory per lo sviluppo del ST40, oltre che con altri laboratori di ricerca americani. Ha una partnership con il Cern di Ginevra per la ricerca sulla tecnologia superconduttiva Hts.

Sempre a Culham, in seno alla Uk Atomic Energy Authority, la Gran Bretagna ha avviato il progetto Step (Spherical Tokamak for Energy Production) finanziato dal governo con 22 milioni di sterline per quattro anni. Nel 2024 dovrà essere realizzato il primo concept di tokamak seguendo degli obiettivi prefissati tra cui: avere una produzione prevedibile netta di elettricità superiore a 100 MW, usare l’energia della fusione nucleare per altre finalità oltre alla generazione elettrica e assicurare l’autosufficienza nel trizio (uno dei due isotopi dell’idrogeno usati per la fusione e che è scarsamente presente sulla Terra). Il completamento di Step è previsto per il 2040.

Elettricità da fusione nucleare? Non prima del 2031 – Data lontana come per tutti i progetti che riguardano la fusione nucleare. K-Demo, la collaborazione tra Usa e Sud Corea, intende completare i test negli anni 2030 per poi realizzare nel Paese asiatico i primi impianti commerciali di generazione elettrica dalla fusione nucleare. Per Iter l’obiettivo è attivare nel 2025 la prima centrale a fusione termonucleare al mondo. Nel 2035, dopo 10 anni di test, il progetto si chiuderà e potranno partire le centrali commerciali. Eni e Cfs prevedono la prima realizzazione industriale nel 2031. Per gli obiettivi europei di decarbonizzazione al 2030 siamo fuori tempo massimo. Appuntamento al 2050, con l’obiettivo della carbon neutrality.