La nuova era di fusione

DA DECENNI, LA TECNOLOGIA PER GENERARE ENERGIA CON LA FUSIONE PULITA E SICURA RESTA, SIA PURE DI POCHISSIMO, AL DI FUORI DELLA NOSTRA PORTATA. ADESSO, PERÒ, UNA NUOVA LEVA DI START-UP CI STA RIUSCENDO.  SI PUÒ FINALMENTE  DARE L’ADDIO AI COMBUSTIBILI FOSSILI?

Se sfogliate qualsiasi annata di una rivista di divulgazione scientifica degli ultimi 50 anni, probabilmente incontrerete un servizio sulla fusione nucleare. È il fenomeno in cui atomi leggeri si uniscono e rilasciano energia; è ciò che fa splendere il Sole e le altre stelle. Ricreare questo processo sulla Terra promette una forma di energia abbondante e con basse emissioni di carbonio.

Se leggete i vecchi articoli, fate caso a quello che dicono gli esperti sul momento in cui potrebbe arrivare la fusione. Ormai ci si scherza su: qualunque sia il decennio di pubblicazione, la fusione è sempre “in arrivo fra una ventina d’anni”. Invece, nonostante ormai cinquant’anni di tentativi, nessun impianto di fusione è ancora in grado di produrre più energia di quella che serve per avviare la reazione.

Ma questo fatto oggettivo non deve farci pensare che la fusione sia più lontana che mai. Di recente c’è stato un cambiamento epocale, che ha ridotto l’orizzonte – ipotetico – dei 20 anni ad appena un decennio. Tanto per cominciare, abbiamo capito meglio gli aspetti scientifici della fusione.

In secondo luogo, c’è stata una serie indiscutibile di scoperte tecnologiche. Ma è il terzo motivo che può essere il fattore decisivo: un deciso cambio di mentalità. “La cosa più importante che è cambiata nell’ultimo decennio nel mondo della fusione, secondo me, è la chiara consapevolezza che ne abbiamo davvero bisogno”, afferma Tim Bestwick, Direttore Tecnico e Direttore della Strategia, delle Comunicazioni e dello Sviluppo aziendale presso la UK Atomic Energy Association (UKAEA). Secondo lui, i due fattori principali in questo nuovo atteggiamento sono i cambiamenti climatici e la sicurezza energetica.

Per quanto riguarda i primi, la fusione offre una fonte di energia abbondante, a basse emissioni di carbonio, che si può usare in combinazione con fonti di energia rinnovabili, come l’energia solare ed eolica. Questo è accettato ormai da anni e, sebbene si parli da tempo anche della sicurezza energetica, solo di recente ne è emersa l’impellente necessità, in particolare con l’invasione russa dell’Ucraina, che ha portato molti Paesi a ripensare al modo in cui acquistano energia e carburante da potenze straniere. Tutto questo dà una nuova spinta alla ricerca sulla fusione.

Le ricerche britanniche sulla fusione hanno luogo presso il Culham Centre for Fusion Energy, nell’Oxfordshire. È la sede di un reattore a fusione sperimentale in funzione da tempo, chiamato JET, Joint European Torus. Il JET è un tokamak, un recipiente a forma di ciambella del diametro di cinque metri. Il suo nome deriva da un termine russo che significa “camera toroidale con campo magnetico”, in cui un plasma (di solito di idrogeno) ad altissima temperatura e a bassa pressione viene mantenuto coeso e lontano dalle pareti interne grazie a un campo magnetico. Dall’inizio delle operazioni, nel 1983, ha fatto grandi progressi sia per la comprensione delle basi scientifiche della fusione nucleare sia per l’ingegneria necessaria per realizzarla.

Ma anche in Italia stiamo lavorando con successo. L’ENEA, infatti, sta conducendo esperimenti molto promettenti con il Frascati Tokamak Upgrade (FTU), un tokamak che consente di studiare plasmi a campi magnetici elevati e ad alta densità: FTU è la macchina per la fusione operante al più alto campo magnetico (8 T) e consente di studiare plasmi in condizioni fisiche non realizzabili con altre macchine. Ma, per capire bene quello che dobbiamo fare, bisogna guardare in alto, molto in alto…

CREARE IL SOLE SULLA TERRA

Il Sole è il reattore naturale a fusione più vicino alla Terra. In profondità, al di sotto della sua superficie luminosa, la temperatura sale a 15 milioni di gradi e la pressione e la densità sono analogamente enormi. In queste condizioni, la fusione avviene spontaneamente. Essa parte dall’idrogeno e procede attraverso una serie di interazioni che uniscono i nuclei di questo elemento.

Dapprima, le reazioni creano isotopi dell’idrogeno e dell’elio, e poi elio ordinario. Per un reattore artificiale a fusione, è impossibile ricreare i livelli di pressione e densità che si trovano all’interno del Sole. All’interno del JET, per esempio, la densità del gas raramente supera quella della normale aria esterna e quindi, per compensare, la temperatura deve essere portata a più di 100 milioni di gradi. A temperature simili, il gas si carica elettricamente: questo stato della materia è noto come plasma e, grazie alla sua carica elettrica, è possibile controllarlo con campi magnetici. Il campo magnetico è essenziale, perché nessun materiale può contenere un gas a più di 100 milioni di gradi; usando campi magnetici si accelera e si controlla il flusso del plasma all’interno del reattore, consentendo alle particelle di fondersi e rilasciare energia.

“Il JET – afferma Bestwick – è stato una macchina straordinaria. Ha funzionato ben più a lungo della durata prevista. Penso che la sua importanza risieda nel fatto che si tratta di una macchina al deuterio-trizio”.

Il deuterio e il trizio (DT) sono isotopi dell’idrogeno. Dopo una serie di esperimenti con il JET nel corso degli anni, è chiaro che saranno questi i combustibili che renderanno praticabile la fusione. Quindi, ora che gli aspetti scientifici sono chiari, il passo successivo è che gli ingegneri costruiscano in concreto un reattore in grado di generare più energia di quella che serve per farlo funzionare. Ed è qui che entra in gioco ITER. ITER è un tokamak con diametro doppio rispetto a JET. Lo sta costruendo, nel sud della Francia, un consorzio di 35 Paesi, comprese numerose nazioni dell’Unione Europea. Il tokamak stesso dovrebbe essere completato quest’anno, ma poi dovrà essere installato nei macchinari che lo racchiuderanno. L’operazione dovrebbe iniziare nel 2025, seguita da un decennio di graduale incremento della capacità del reattore fino al massimo livello.

Alla fine, si calcola che ITER dovrebbe essere in grado di generare 10 volte l’energia necessaria per avviare il processo. Oltre a ITER, l’UKAEA sta anche progettando un reattore chiamato STEP (Spherical Tokamak for Energy Production) che sarà il primo prototipo di centrale elettrica a fusione nucleare al mondo.

Il sito per la sua costruzione sarà scelto entro la fine di quest’anno. La costruzione dovrebbe iniziare negli anni Trenta, con la messa in servizio diversi anni dopo. Ma non finisce qui.

CONDIVIDERE LE CONOSCENZE

La diffusione delle conoscenze su cosa sia necessario per innescare la fusione, unita al progresso tecnologico, fa sì che la costruzione di una centrale elettrica a fusione commerciale è ora soprattutto una questione ingegneristica, piuttosto che un problema di ricerca e sviluppo scientifici. Di conseguenza, negli ultimi anni sono emerse numerose aziende private interessate a sviluppare i propri approcci alla fusione.

“Vent’anni fa, la fusione era appannaggio dei governi. Oggi ci sono più di 25 società private, in varie parti del mondo, dedicate alla fusione, che stanno attirando investimenti enormi”, spiega Valerie Jamieson, che dirige il Fusion Cluster, appena inaugurato a Culham.

In vista del lancio ufficiale entro la fine dell’anno, il Fusion Cluster sta attirando aziende start-up interessate a costruire o contribuire ai reattori a fusione. Saranno ospitate accanto alle strutture di JET, il che consentirà la creazione di competenze e potenzialità in un unico luogo. È una formula collaudata.

“La concentrazione tecnologica più nota è Silicon Valley – ricorda Jamieson – ed è molto utile, perché avere tutti i clienti e collaboratori nelle vicinanze lubrifica i meccanismi e fa funzionare tutto più agevolmente”. Un altro cluster scientifico del Regno Unito esiste presso l’Harwell Science and Innovation Campus, sempre nell’Oxfordshire. Ebbe inizio una decina di anni fa con una manciata di aziende e ora vanta più di 100 organizzazioni spaziali.

Ovviamente, quando si parla di compagnie spaziali private, la storia di successo più ovvia è la SpaceX di Elon Musk, che ora trasporta regolarmente gli astronauti da e verso la Stazione Spaziale Internazionale. Questo è il genere di successo che la nuova concentrazione spera di emulare. E c’è già stato qualche successo per due delle aziende più affermate del cluster. La Tokamak Energy (vedi riquadro a p. 37) ha recentemente fatto raggiungere al plasma la temperatura necessaria per la fusione, nel suo reattore del diametro di un metro, mentre la First Light Fusion (vedi riquadro a p. 35) ha ottenuto la fusione per la prima volta utilizzando un approccio diverso dai tokamak.

E la concentrazione non intende attirare solo aziende che si occupano di reattori, ma anche società in grado di fornire altri servizi essenziali, due dei quali sono la robotica e l’Intelligenza Artificiale.

COLLABORAZIONE

Proprio adiacente al JET, si trova il Remote Applications in Challenging Environments (RACE) dell’UKAEA. All’interno dell’area di lavoro, simile a un hangar, viene testato un gigantesco braccio robotico. Quando i reattori saranno operativi, gli esseri umani non potranno entrarci per attività di manutenzione, dato che la fusione deuteriotrizio produce energia sotto forma di neutroni, che creano livelli elevati di radiazioni con vita breve. Quindi, ai compiti che gli esseri umani non potranno svolgere, provvederanno i robot. Questo accade già al JET, dove un braccio robotico lungo 12 metri, dotato di due “mani”, viene azionato a distanza da un team di tecnici. Chiamato MASCOT, può insinuarsi nel tokamak e sostituire i rivestimenti, stringere viti o rimuovere componenti usurati. Sebbene i tecnici siano abilissimi nel controllare il braccio – come parte del loro allenamento, lo usano per giocare a Jenga – è tuttora un procedimento lento. Per ITER serviranno quindi dispositivi simili, ma più sofisticati.

Nell’ambiente ad alta radiazione del reattore, gli apparati elettronici si possono degradare rapidamente. Per questo motivo, il braccio robotico in prova al RACE è ricoperto di punti le cui posizioni sono misurate con precisione da telecamere speciali. Quando il braccio è sollecitato da carichi pesanti o da particolari movimenti, la disposizione dei punti si deforma leggermente, il che viene misurato dalle telecamere e si traduce in una sorta di “mappa del dolore” del braccio, che ne determina le prestazioni. Se il sistema funziona, si potrà fare a meno dei vulnerabili sensori elettronici all’interno del braccio, ottenendo un sistema più economico da produrre. Inoltre, come ulteriore vantaggio, sapere quando ci si avvicina ai limiti di progettazione della macchina consentirà di usarla con la massima efficienza.

“Il motivo per cui si usa la robotica si riconduce sempre alla sicurezza, alla produttività o a entrambi”, afferma Robert Buckingham, direttore del RACE. E le applicazioni della robotica che vengono sviluppate qui vanno ben oltre la fusione. Le si potrà adattare a qualsiasi ambiente pericoloso: sott’acqua o nello spazio, per esempio. E, mentre il robot vero e proprio per questi ambienti potrà avere un aspetto ben diverso, quello che c’è “sotto il cofano” sarà molto simile.

“Ci sono sensori che osservano ciò che c’è intorno, un computer che prende decisioni e motori che muovono il robot. Hanno un regolarmente gli astronauti da e verso la Stazione Spaziale Internazionale. Questo è il genere di successo che la nuova concentrazione spera di emulare. E c’è già stato qualche successo per due delle aziende più affermate del cluster. La Tokamak Energy (vedi riquadro a p. 37) ha recentemente fatto raggiungere al plasma la temperatura necessaria per la fusione, nel suo reattore del diametro di un metro, mentre la First Light Fusion (vedi riquadro a p. 35) ha ottenuto la fusione per la prima volta utilizzando un approccio diverso dai tokamak. E la concentrazione non intende attirare solo aziende che si occupano di reattori, ma anche società in grado di fornire altri servizi essenziali, due dei quali sono la robotica e l’Intelligenza Artificiale.

COLLABORAZIONE

Proprio adiacente al JET, si trova il Remote Applications in Challenging Environments (RACE) dell’UKAEA. All’interno dell’area di lavoro, simile a un hangar, viene testato un gigantesco braccio robotico. Quando i reattori saranno operativi, gli esseri umani non potranno entrarci per attività di manutenzione, dato che la fusione deuteriotrizio produce energia sotto forma di neutroni, che creano livelli elevati di radiazioni con vita breve. Quindi, ai compiti che gli esseri umani non potranno svolgere, provvederanno i robot. Questo accade già al JET, dove un braccio robotico lungo 12 metri, dotato di due “mani”, viene azionato a distanza da un team di tecnici. Chiamato MASCOT, può insinuarsi nel tokamak e sostituire i rivestimenti, stringere viti o rimuovere componenti usurati. Sebbene i tecnici siano abilissimi nel controllare il braccio – come parte del loro allenamento, lo usano per giocare a Jenga – è tuttora un procedimento lento. Per ITER mucchio di punti in comune”, osserva Buckingham.

AGGIUNGIAMO UN PO’ DI IA

Per rendere questi robot più reattivi e autonomi possibile, serve l’Intelligenza Artificiale. La società Luffy AI, all’interno del cluster dedicato alla fusione, è un’idea di Matthew Carr e Alex Meakins, specializzati nell’analisi dei dati. I due si sono conosciuti lavorando all’altro reattore a fusione di Culham, il MAST (Mega Amp Spherical Tokamak). Si sono resi conto che il controllo delle condizioni in un reattore a fusione richiedeva l’Intelligenza Artificiale, ma i sistemi attuali erano giunti al limite. Sebbene l’Intelligenza Artificiale sia eccezionale nel mondo digitale, per esempio nel riconoscere i volti, non ha fatto progressi analoghi quando si tratta di controllare apparecchiature come robot o reattori. Dopo aver analizzato il problema, Carr e Meakins hanno deciso che la questione di base era che i sistemi di Intelligenza Artificiale tradizionali smettono di apprendere una volta che sono stati addestrati. Se incontrano una situazione sconosciuta, annaspano. Per risolvere questo problema, hanno codificato l’equivalente artificiale della neuroplasticità, il processo mediante il quale adattiamo il nostro comportamento all’ambiente in cui ci troviamo. Attualmente, stanno addestrando i droni a volare in modo tale che, se perdono un rotore, la macchina si adegui in modo invisibile e l’utente noti poca o nessuna differenza nel manovrarlo, sebbene chiaramente le prestazioni ne risentano.

Per il futuro, possiamo immaginare programmi di controllo del reattore a fusione che si adattano invisibilmente alle condizioni in rapida evoluzione all’interno del plasma, per mantenere la massima efficienza di fusione possibile. Sono prospettive entusiasmanti. A Culham si sta creando un futuro audace e stimolante e si prevede che sia più vicino di quanto avessimo mai pensato. Se le cose continuano ad andare come previsto, quando qualcuno si imbatterà in questo articolo tra 50 anni si renderà conto che è stato scritto a un punto di svolta, nel momento in cui la fusione ha smesso di essere “in arrivo fra una ventina d’anni” e invece era proprio dietro l’angolo.


STUART CLARK

Stuart è un divulgatore specializzato in astronomia. Il suo ultimo libro è Beneath The Night: How The Stars Have Shaped The History Of Humankind (Faber). [Traduzione di Daniele A. Gewurz

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