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Cambiamenti climatici

Tempi, impatto e vantaggi delle centrali a fusione nucleare: la spiegazione del fisico dell’INFN

Il fisico Marco Casolino dell’INFN spiega l’importanza dello storico esperimento sulla fusione nucleare condotto negli USA e i tempi per le prime centrali.
A cura di Andrea Centini
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Credit: Lawrence Livermore National Laboratory / Screenshot Twitter
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Il 13 dicembre il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha annunciato che, per la prima volta nella storia, in un esperimento controllato di fusione nucleare si è riusciti a produrre più energia di quella introdotta nel sistema. Nello specifico, gli scienziati del National Ignition Facility presso il Lawrence Livermore National Laboratory, hanno ottenuto 3,15 megajoule a fronte dei 2,05 megajoule impiegati, con un guadagno netto di circa 1 MJ. La fusione dell'esperimento è stata ottenuta attraverso il confinamento inerziale (IFE), sfruttando potentissimi laser con i quali è stata “bombardata” una capsula d'oro contenente un pellet di deuterio e trizio, isotopi dell'idrogeno. I laser, in grado di scaldare la capsula a 100 milioni di gradi, in parole molto semplici hanno determinato il rilascio di raggi X che hanno spinto i nuclei leggeri a “fondersi” in elementi più pesanti, un processo che libera una grande quantità di energia. La fusione nucleare è stata più volte presentata come il "Sacro Graal" dell'energia poiché, fra le altre cose, grazie ad essa se ne può ottenere in quantità praticamente illimitate, inoltre è pulita (non si emette CO2 nel processo), non presenta i potenziali rischi della fissione e si basa su elementi abbondanti, relativamente facili da recuperare senza impattare sull'ambiente. Insomma, in un contesto di crisi climatica ed energetica come quello attuale sembra la classica manna dal cielo. Ma quanto tempo ci vorrà per passare dai test di laboratorio al poter scaldare l'acqua di casa con una simile, virtuosa fonte? La fusione nucleare è davvero così preziosa contro i cambiamenti climatici? Lo abbiamo chiesto al dottor Marco Casolino, Dirigente di Ricerca presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sezione di Roma Tor Vergata, collaboratore del centro Ricerca del RIKEN in Giappone – da dove ci ha risposto – e divulgatore scientifico. Qui potete seguire i suoi video su youtube.

Dottor Casolino, innanzitutto le chiediamo se la notizia giunta dagli Stati Uniti rappresenti realmente una svolta epocale, come è stata presentata. Del resto siamo in piena crisi energetica e climatica; è possibile che l'annuncio sia stato un po' troppo ottimistico?

Tutte e due le cose. In questo esperimento di fusione si è riusciti ad avere più energia in maniera non distruttiva – cioè non da una bomba nucleare – di quella messa dentro. È un traguardo veramente importantissimo. Non so se epocale, ma comunque importantissimo. Il punto è che è necessario fare dei comunicati un po' altisonanti, anche se c'è il rischio di quello che in inglese viene chiamato “law of diminishing returns”, nel senso che se poi ne fai troppi la gente non ti dà più retta. Però in questo caso il risultato si è davvero meritato i titoli.

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Ci spieghi

Come indicato, per la prima volta in una fusione controllata si è ottenuta più energia di quella immessa. È ciò che fa il Sole. Si fondono i nuclei, o meglio si agganciano. Si parla di fusione, ma in realtà se ad esempio hai due nuclei di deuterio, con la fusione si mettono insieme e se ne ottiene uno di elio. Si agganciano e si libera energia. Questa cosa accade fino al ferro, per fusione. Nelle stelle chi vince la repulsione dei nuclei è la gravità, mentre nel caso delle bombe a fusione nucleare è il botto della bomba a fissione. L'innesco che le accende è infatti un'esplosione nucleare di una bomba a fissione all'uranio o al plutonio, tipo quelle di Hiroshima e Nagasaki. Vince la repulsione elettrica dei nuclei, li fonde e si ottiene energia. Vincere questa barriera di repulsione è estremamente complicato. Quello che sono riusciti a fare al Lawrence Livermore National Laboratory è schiacciare questi nuclei grazie all'onda elettromagnetica dei laser. Un campo elettromagnetico che vince su un campo elettromagnetico. I laser scaldano questa stanza concava, si liberano raggi X che schiacciano il pellet – ancora più piccolo – e quindi si fondono i nuclei. Da circa 20 anni si andava avanti per raggiungere questo risultato e ora, finalmente, si è riusciti a tirar fuori più energia di quella che è stata immessa.

L'esperimento con i laser è stato quello detto di "fusione a confinamento inerziale", mentre altrove si punta molto al confinamento magnetico con i reattori tokamak. Quale delle due tecnologie secondo lei porterà per prima a una centrale a fusione nucleare vera e propria?

Come ha detto giustamente ci sono due modi non distruttivi per utilizzare la fusione nucleare. Un modo è il confinamento magnetico, come il tokamak in Europa, in Giappone etc etc. Ho vari colleghi anche qui che si occupano di fusione a confinamento magnetico. Si tratta di una grande camera in cui ho dei campi magnetici intensissimi, che vengono schiacciati il più possibile per far vincere al plasma la repulsione elettrica dei nuclei. L'altro metodo è quello con il laser. Sono due strade equivalenti. Ora il primo traguardo è stato raggiunto col laser, ma magari dopo si andrà avanti col tokamak. Devono essere portate avanti tutte e due per poi essere sicuri che prima o poi si riesca a ottenere questa fusione utilizzabile su scala industriale. Adesso è stato guadagnato 1 megajoule, equivalente all'energia di tre candelotti di dinamite; è una discreta quantità, ma ancora abbastanza piccola. Per la scala più grande non è chiaro come si andrà avanti, quindi è bene che si prosegua con entrambi i metodi. Nel caso del laser servirà un laser molto più grande, in quello del campo magnetico servirà un tokamak ancora più grande.

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Secondo lei quanto tempo ci vorrà realmente per avere energia utilizzabile nelle case da centrali a fusione nucleare? Alcuni parlano (molto) ottimisticamente di 10 anni per la prima centrale. Altri dicono, 20 – 30 anni, con risultati concreti attorno al 2050.

10 anni? Magari. Il grafico che le ho mandato (in fondo alla risposta NDR) riprende uno studio degli anni '70 e indica quanti soldi devono essere stanziati per la ricerca scientifica e tecnologica per ottenere la fusione nucleare su scala industriale. Con un investimento molto aggressivo di 5 – 6 miliardi di dollari all'anno dagli anni '70 in avanti, avremmo avuto la fusione nucleare industriale negli anni '90. Se l'investimento fosse stato un po' più piccolo l'avremmo avuta alla fine degli anni '90. Con un investimento moderato nel 2005. Nel grafico, più in basso, c'è la voce Fusion Never, che significa “mai la fusione nucleare industriale”. Con questi livelli di finanziamento non si arriverà mai a uno sfruttamento industriale della fusione, per questo si dice sempre “fra 40 anni”. I finanziamenti alla ricerca sono stati la metà del finanziamento minimo indicato nello studio, e ancora adesso sono la metà di quelli necessari per avere entro 20 – 30 anni delle centrali nucleari che finalmente possano risolvere i problemi del riscaldamento globale, del carburante e così via. Tutti quindi dicono sempre tra 30 – 40 anni, purtroppo.

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Quindi 10 anni pura utopia, 30 – 40 anni un'ipotesi più realistica

Fra 10 – 15 anni potresti avere un piccolo reattore. Sono scalabili, non ci sono le limitazioni delle centrali a fissione. Quindi un piccolo reattore, un prototipo, tipo la pila nucleare che presentò Fermi a Chicago, e poi piano piano a scalare fino a ottenere una centrale. Ma tra 10 anni scaldare l'acqua di casa con una centrale a fusione la vedo molto, molto difficile.

Credit: Lawrence Livermore National Laboratory / Screenshot Twitter
Credit: Lawrence Livermore National Laboratory / Screenshot Twitter

È possibile che l'annuncio del Dipartimento di Energia USA sia stato così altisonante per arrivare a ottenere più finanziamenti?

In qualche maniera, oramai la scienza deve piegarsi – più o meno a seconda del contesto – a quella che è la pressione mediatica. Per avere i finanziamenti che vanno sulle armi, sulla difesa, per l'energia in altre forme. In qualche maniera questi annunci un po' roboanti sono anche necessari. Lo stesso discorso si può fare per la Luna. Sì, bellissimo, ma erano cose che negli anni '70 sapevamo già fare molto meglio.

Tornando all'esperimento, per ottenere il guadagno di 1 megajoule è stata impiegata moltissima energia. Nel complesso dell'infrastruttura, non dei laser in sé. Come riusciranno a rendere “commerciale” una cosa del genere?

Tutto il centro di ricerca è grande come un campo da calcio sotto un gigantesco capannone, dove ci sono le batterie, i capacitori, i laser, i carburatori. E poi c'è questa gigantesca palazzina di 7 piani che serve per convogliare la luce dei laser, in maniera che poi possano raggiungere il risultato. Come indicato, la luce che entra dentro questa camera cava in cui c'è il pellet di deuterio è di 2 milioni di joule e ne escono 3 milioni. Quindi il guadagno è di 1 milione di joule. E ci serve un edificio di 7 piani. Ma se anche fosse di 70 piani e si riuscisse a ottenere energia per far funzionare una città utilizzando l'acqua del mare – perché il deuterio si ottiene con quella – allora ben venga un edificio di 70 piani. Anche le centrali elettriche o le idroelettriche sono sempre edifici grandi. E c'è da tenere in considerazione che è un ambiente sperimentale. È come dire che l'aereo dei fratelli Wright era un “catorcetto”, ma poi si è arrivati al 747. È stato importante fare il primo volo, che ci ha detto che quella cosa si poteva fare. Basta farla più grande e metterci più soldi. Purtroppo però non è così scalabile e in modo così semplice, ma una volta che hai tracciato la strada poi lo fai. Per rendere l'idea, 4 joule scaldano 1 grammo d'acqua di 1 grado, quindi servono 400 joule per far bollire l'acqua (in realtà un po' di più per tutta serie di motivi). Il milione di joule dell'esperimento fa bollire centinaia di migliaia di grammi d'acqua, con un energia equivalente a quella di tre candelotti di dinamite. Intorno però hai tutta una serie di edifici e di materiale che in qualche maniera costa molto di più come energia. Ma del resto anche una centrale elettrica consuma energia; ciò che conta è il guadagno energetico finale a favore.

Ha fatto cenno al riscaldamento globale, uno dei problemi che in futuro le centrali a fusione nucleare potrebbero aiutarci a combattere. Ma come è stato detto, ci vorranno decenni per arrivare alle centrali. E noi decenni non ce li abbiamo proprio. Non c'è il rischio che poi si spostino finanziamenti su questa tecnologia lasciando indietro le altre fonti – come le rinnovabili – di cui abbiamo bisogno adesso? In molti sono scettici riguardo all'utilità della fusione nucleare contro i cambiamenti climatici.

Il problema è che hanno ragione tutti. Nel senso che è chiaro che il problema del riscaldamento globale è adesso, però è altrettanto chiaro che non abbiamo una bacchetta magica per risolvere i problemi. Devi iniziare a incentivare le rinnovabili, alcune (io un po' di scetticismo sull'eolico ce l'ho); devi ridurre gradualmente i consumi in generale, proprio puntare a risparmiare; devi ridurre i combustibili fossili e devi incentivare quello che già abbiamo, che sono le centrali a fissione nucleare. È una posizione sulla quale si può discutere, perché è una posizione che non tutti hanno. Una delle obiezioni è che anche se iniziassi a costruire adesso una centrale a fissione, che so come farla perché sta sui libri, ci metto 10 anni. La risposta è la stessa che si applica alla centrale a fusione nucleare. Ovvero che se non cominci adesso non ce l'avrai mai. È chiaro che sarebbe stato meglio se avessimo cominciato 10 anni fa, o 40 anni fa. Siamo nel 2022 e tanto vale cominciare adesso. Riceveremo i benefici tra 10 anni, oppure tra 40 anni nel caso della fusione. Che questo possa rubare risorse alle altre tecnologie io dico di no. La fusione nucleare è oggetto di ricerca scientifica. È vero che devi metterci 7 miliardi di dollari, ma una portaerei costa 2 miliardi di dollari. Gli Stati Uniti quando hanno lasciato l'Afghanistan hanno abbandonato materiale per 7 miliardi di dollari. Quindi non è che si lascia la gente senza mangiare. Per quanto riguarda le centrali a fissione c'è il libro e sappiamo come farle. È un problema ingegneristico, non un problema di fisica. Qualcuno potrebbe dire, “togliamo i soldi” a voi – a noi che studiamo i raggi cosmici, ad esempio – o ad altri tipi di fisica per darli alla fusione, ma non c'è questo rischio secondo me.

Quindi secondo lei al momento dovremmo concentrarsi anche sulle centrali a fissione nucleare di nuova generazione, come ad esempio quelle finanziate da Bill Gates, più piccole e meno impattanti

Ce ne sono diverse, più piccole, anche di quarta generazione che ci hanno messo tantissimo per entrare in funzione, come in Finlandia. Però adesso vanno. Il problema degli investimenti su queste nuove tecnologie è dovuto al fatto che nessun politico è disposto a spendere ora – questo vale per tutte le infrastrutture -, per benefici che riceverà qualcun altro fra 10 anni. Tutte le critiche le prendi adesso, la battaglia economico – politica va combattuta subito. E poi non vieni rieletto. C'è questo stillicidio che non vale solo per la ricerca scientifica, ma per qualunque infrastruttura di ampio respiro. Servono una spinta e una lungimiranza che purtroppo spesso non si hanno. Non dico solo in Italia, ma in tutto il mondo.

Credit: TerraPower
Credit: TerraPower

Secondo alcuni la costruzione di centrali a fusione nucleare determinerebbe costi enormi in termini di risorse energetiche, materiali e consumi. E questo ci proietterebbe ancora di più verso la catastrofe climatica. Cosa ne pensa?

Mi sentirei di dissentire perché tu hai comunque bisogno di una centrale elettrica. La puoi fare a carbone, a petrolio, a gas, quindi con combustibili fossili, oppure idroelettrica (che è un passo avanti). Col solare anche, ma c'è una serie di problemi. Però la devi fare comunque. La Germania, che aveva centrali nucleari dismesse, ha deciso di riaccendere quelle a carbone per i problemi di gas con la Russia. Una follia. L'impatto di quelle a combustibile fossile è immensamente più grande di tutto il resto. Se devo costruire una centrale elettrica, magari potessi scegliere tra fusione, fissione e rinnovabile. In realtà in questo momento è o a fissione o quelle classiche con i rigassificatori. Con tutti i problemi geopolitici che abbiamo.

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi delle centrali a fusione nucleare rispetto a quelle a fissione?

Lo svantaggio rispetto alla fissione è che la fusione non ce l'hai, mentre la fissione ce l'hai. Se ce l'avessimo, tutti i vantaggi sarebbero a favore della fusione. Perché appunto non lascia scorie radioattive, non è pericolosa per l'ambiente, è intrinsecamente sicura e non vai a impattare sull'ambiente per estrarre uranio e altri materiali fissili. Molti ne parlano sempre usando il termine “Santo Graal” dell'energia, perché risolverebbe tutta una serie di problemi. Poi quando saranno pronte scopriremo sicuramente che avranno altri problemi, ma sulla carta – anche un po' più che sulla carta – la fusione nucleare vince assolutamente sulla fissione. Fatto salvo che questa non c'è e l'altra sì.

Per quanto concerne la questione della sicurezza, alcuni dicono che anche le centrali a fusione nucleare determinano una piccola quantità di scorie radioattive e di breve durata, mentre altri dicono che non ne producano affatto. Ci può spiegare?

Fondamentalmente non ce ne sono, quasi per niente. Puoi avere in realtà un po' di neutroni che ti attivano il materiale, ma parliamo di qualcosa che è meno di una macchina che cura i tumori in ospedale. Quindi è assolutamente trascurabile. Anche il problema delle scorie delle centrali a fissione secondo me è discutibile, rispetto ai danni che potresti fare all'ambiente con un capannone di questa roba tenuta sotto controllo. Il rischio non c'è. A tutti gli effetti è trascurabile. Se vogliamo parlare di materiale a radioattivo, una centrale a carbone è molto più radioattiva di una centrale a fissione, in assenza di incidenti ovviamente. Perché il carbone che immetti nell'ambiente contiene carbonio 14 che è radioattivo. Anche questo contribuisce a far venire i tumori alla gente, L'incidenza dei tumori ai polmoni è legato all'inquinamento generale, di cui una parte è dovuto all'inquinamento radioattivo da radon e carbonio 14. Se vai a fare il conto reale viene fuori che dal punto di vista anche solo radioattivo la contaminazione delle centrali a carbone è più alta. So che è difficile da far digerire, ma le cose stanno così.

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