Fusione nucleare: un altro passo è stato fatto. Intervista esclusiva a Roberto Cesario

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Il progetto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), che ha ricevuto un finanziamento di 1,3 miliardi di euro dall’Unione Europea per il biennio 2011-2013, ha ora maggiori probabilità di successo: è stato individuato infatti un nuovo metodo per generare corrente nel gas d’idrogeno riscaldato negli esperimenti di ricerca sull’energia da fusione nucleare. Tali risultati, ottenuti da un team totalmente italiano, hanno aperto nuove possibilità per controllare le instabilità e facilitare il funzionamento di un futuro reattore. Dei passaggi chiave di questo studio, pubblicato su Nature c., ci ha parlato il principale autore, Roberto Cesario, dirigente di ricerca presso il Centro di Ricerche Enea di Frascati (Roma).

NM. Dott. Cesario, ci può spiegare, in parole semplici, quali difficoltà è necessario superare per raggiungere la fusione nucleare?

RC. Prima di tutto vorrei ringraziare in modo particolare i diversi giovani che hanno partecipato nel team con grande impegno e generosità. Abbiamo lavorato sulla macchina FTU (Frascati Tokamak Upgrade), il più grande esperimento in Italia per la ricerca sull’energia da fusione nucleare. Questa è una ricerca che si svolge nell’ambito di un’ampia collaborazione dei laboratori di tutto il mondo. L’Italia partecipa (come secondo partner per quantità di risorse impiegate) anche all’esperimento della Comunità Europea JET (Joint European Torus, che si trova in Inghilterra presso Oxford), che è il più grande esperimento del mondo sulla fusione.

Il metodo utilizzato da questi esperimenti è riscaldare e portare l’idrogeno nello stato di gas ionizzato, cioè di plasma, intrappolarlo mediante forti campi magnetici all’interno di un cilindro ricurvo e chiuso su se stesso, nel quale si fa scorrere una corrente elevatissima (dell’ordine del milione di Ampère). Tale corrente è prodotta, in modo impulsato, grazie al fatto che la colonna di plasma, avvolta ad anello, costituisce l’avvolgimento secondario di un grande trasformatore che, come si sa, può funzionare solo per impulsi, per cui il plasma ha necessariamente una durata limitata (alcuni secondi). Grazie all’intensa corrente, la colonna di plasma raggiunge attorno al suo asse temperature di ben cento milioni di gradi (sei volte maggiori che nel nucleo solare) e densità di 1020 particelle al metro cubo (cioè mille miliardi di volte meno che nel nucleo del sole). Il problema da risolvere ora è raggiungere la condizione d’ignizione in cui, cioè, la potenza prodotta dalla fusione dei nuclei d’idrogeno sia almeno pari alla potenza che dobbiamo immettere nella macchina. Per questo bisogna riuscire ad aumentare l’isolamento termico del plasma, cioè a ridurre di almeno dieci volte la rapidità con cui energia e materia fuoriescono dalle regioni centrali della colonna di plasma, che sono le più calde e dense. Tale fuoriuscita è causata dai moti turbolenti che necessariamente s’instaurano in un simile fluido surriscaldato e immerso in un forte campo magnetico.

NM. Può farci capire in poche parole l’importanza di questa scoperta? Perché le correnti interne al plasma sono necessarie affinché avvenga la fusione nucleare?

RC. I risultati ottenuti a Frascati si collegano proprio al problema di come ridurre la turbolenza e migliorare l’isolamento termico della colonna di plasma. Infatti l’attenuazione della turbolenza, e in conseguente aumento dell’isolamento termico, si ottengono producendo nel plasma una corrente non necessariamente elevata (dell’ordine del 10% della corrente totale di plasma), ma localizzata in regioni non troppo interne della colonna di plasma, dove la turbolenza produce maggiormente i suoi effetti indesiderati. In altri termini, anche con la corrente relativamente piccola (prodotta dalle microonde lanciate nel plasma) si potrebbe controllare la distribuzione dell’intera corrente nel plasma, con grande vantaggio per stabilità e isolamento termico.

Ebbene, a Frascati siamo riusciti per la prima volta a far penetrare all’interno di un plasma con densità elevata, utile per il reattore, una potenza a microonde (circa mezzo megawatt alla frequenza di otto gigahertz) che genera corrente proprio nella regione desiderata. Inoltre tale corrente può scorrere con continuità, non solo per tempi brevi come può avvenire con l’impulso di corrente prodotto dal tokamak. Questo è un altro aspetto assai importante per estrapolare questo concetto di macchina a un reattore.

Esperimenti con potenza a microonde, simili a quelli che effettuiamo a Frascati, si sono svolti senza successo da circa trent’anni, poiché le microonde di fatto non riuscivano a penetrare in plasmi sufficientemente densi. Con studi teorici, alcuni anni fa, abbiamo capito che quell’insuccesso era causato da instabilità che si producono a bordo plasma e che modificano le caratteristiche delle onde lanciate dall’antenna. Il calcolo ha consentito di prevedere che le microonde sarebbero invece riuscite a penetrare nel plasma se il bordo fosse stato sensibilmente più caldo di quanto normalmente accade negli esperimenti. L’esperimento su FTU ha confermato quelle previsioni teoriche e ulteriori conferme stanno avvenendo dal JET.

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NM. Sappiamo che il goal ricercato in questo tipo di studi è ottenere una fusione nucleare con netto guadagno energetico in uscita. Come interviene questo risultato sotto questo punto di vista? L’alimentazione della corrente interna, che richiede un investimento iniziale, mostra un guadagno energetico apprezzabile?

RC. No, il goal di questi esperimenti non è ottenere un netto guadagno energetico. Come detto all’inizio, le nostre attività costituiscono oggi il principale sforzo di collaborazione internazionale nella ricerca dell’energia da fusione nucleare. Non si tratta, per essere espliciti, di tentativi alquanto scoordinati, come è il caso della cosiddetta fusione fredda (di cui tra l’altro non è chiaro se e quali reazioni nucleari avvengano). Macchine come JET, FTU, ecc. sono dispositivi sperimentali di ricerca, non reattori. ITER, di cui è iniziata la costruzione nel sud della Francia, sarà invece il primo esperimento di reattore a fusione ed ha tra i suoi obiettivi quello di produrre una certa quantità di energia da fusione. Gli esperimenti attuali mirano a fornire al progetto ITER le conoscenze necessarie per come portare il plasma alla condizione d’ignizione.

NM. Quali saranno le probabili ricadute immediate e future sull’avanzamento del progetto ITER?

RC. Con i risultati di FTU sarà molto probabile che i responsabili di ITER decideranno di utilizzare il metodo messo a punto a Frascati per produrre corrente continua con potenza a microonde lanciata dall’esterno. Questo sarebbe assai utile per controllare la distribuzione della corrente all’interno del plasma, possibilmente fino a raggiungere il regime stazionario che è necessario per un reattore. Il controllo della corrente di plasma è indispensabile per ottenere un plasma con elevate caratteristiche di stabilità e d’isolamento termico.

NM. Nell’intervista che ci ha precedentemente rilasciato, ha sottolineato come realizzare la fusione nucleare sulla Terra sia una sfida scientifica prima che tecnologica, in quanto sul nostro pianeta, a differenza di quello che succede nelle stelle, non è possibile sfruttare la cooperazione di tutte e quattro le forze fondamentali della natura. Questo passo importante da voi compiuto come si pone in questa ottica? Quale forza è stata “aiutata” con questo intervento?

RC. La forza “aiutata” è la quella elettromagnetica. Le microonde lanciate dall’esterno della macchina (per gli addetti ai lavori queste si chiamano “onde di lower hybrid, o onde LH”) hanno di bello che solo un plasma, non lo spazio vuoto (o i comuni mezzi dielettrici), le fa propagare. La generazione di corrente avviene un po’ come quando giochiamo in riva al mare a farci trascinare dalle onde: per guadagnare energia da esse non dobbiamo rimanere fermi (perché andremmo inutilmente solo su e giù), ma è necessario nuotare a tutta forza verso la riva per farci accelerare dall’onda. In modo simile, le onde LH fanno accelerare quegli elettroni che sono più veloci della media, e che sono costretti a viaggiare, come i vagoni di un treno, lungo i binari costituiti dalle linee di campo magnetico avvolte lungo l’asse dell’anello di plasma.

La forza elettromagnetica e l’interazione nucleare forte costituiscono le sole forze fondamentali su cui possiamo contare nei nostri esperimenti sulla fusione. “Il plasma – come amava dire il mio mentore Francesco De Marco – non è solo una cosa utile, ma soprattutto una cosa bella”. Un plasma fortemente riscaldato e intrappolato in un campo magnetico ha dato più volte l’impressione di un qualcosa che “sembra avere coscienza di sé”: così si espressero gli scopritori del plasma all’inizio del secolo scorso. Un plasma termonucleare costituisce un sistema complesso, che non vuol dire complicato, ma solo che è fatto di parti che comunicano tra di loro. Esso potrebbe essere capace di utilizzare gli “aiuti” che gli forniamo dall’esterno per ridurre gli effetti di turbolenza al suo interno, e riorganizzare la sua struttura in forme più adatte ad avere un maggiore isolamento termico, cosa necessaria per raggiungere la condizione d’ignizione. Gli esperimenti hanno messo in luce da tempo quest’affascinante caratteristica del plasma di sapersi auto-organizzare. Non sappiamo se, una volta raggiunta la condizione d’ignizione, possa davvero prendere a bruciare quel tipo di fuoco nucleare di cui non sembrano esserci esempi simili nell’Universo. Di qui la sfida scientifica del secolo…

NM. I prossimi passi quali saranno?

RC. Stiamo perfezionando il metodo di generazione di corrente con esperimenti in corso principalmente su FTU e JET. In particolare su FTU stiamo cercando di riscaldare in modo più utile il plasma di bordo per rendere possibile la penetrazione della potenza a microonde LH. Per aumentare la temperatura degli elettroni del bordo (che è la cosa importante per vincere le instabilità indesiderate che bloccano la penetrazione della potenza lanciata), abbiamo in programma di utilizzare un altro tipo di microonde a frequenza molto più alta (140 gigahertz). Quest’ultimo tipo di onde è simile a quelle che si usa nelle telecomunicazioni, e propagano sia nello spazio vuoto sia nel plasma. Le preziose onde LH propagano, invece, solo nel plasma e sono capaci di generarvi una corrente, utile per migliorare stabilità e isolamento termico, più che ogni altro mezzo.

Roberta De Carolis

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