Fusione nucleare e Green New Deal
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GLI SCENARI_
Fusione nucleare e Green New Deal
La decarbonizzazione del settore energetico potrà difficilmente essere raggiunta con un’unica
tecnologia, ma richiederà anche un portafoglio di fonti non considerate rinnovabili che abbiano bassa
o nulla produzione di CO2. Per rendere questo insieme di energie pienamente sostenibile anche nella
fase successiva alla transizione energetica, occorre sviluppare la tecnologia della fusione che ha diversi
vantaggi in termini di sicurezza, ambiente e disponibilità e può fornire il carico di base in un mix a forte
presenza di fonti intermittenti, anche con sostanziale disponibilità di energy storage.
DOI 10.12910/EAI2020-036
di Paola Batistoni, Marco Ciotti, Alessandro Dodaro, Giuseppe Mazzitelli, Dipartimento Fusione e Sicurezza Nucleare,
ENEA (*)
L
’Unione Europea è impegnata tensioni geopolitiche; così elevate la miscela di reagenti si
nell’ambiziosa impresa di ar- • la reazione su cui si basa non produce trova nella forma di gas ionizzato (pla-
rivare ad emissioni nette nulle gas serra; sma) e deve essere confinata mediante
di gas serra entro il 2050 con la • è intrinsecamente sicura; intensi campi magnetici. Così come il
prospettiva di un nuovo modello di svi- • è rispettosa dell’ambiente – la rea- plasma nelle stelle, anche quelli di la-
luppo che separi la crescita dallo sfrut- zione di fusione non produce scorie boratorio sono sistemi complessi. Essi
tamento delle risorse e punti sull’inno- radioattive. Nel corso delle operazioni esibiscono una varietà di fenomeni tur-
vazione tecnologica. Il Green New Deal, diventano radioattive le pareti della ca- bolenti e instabilità che tendono a dete-
lanciato alla fine del 2019, prevede una mera di reazione ma con un’opportuna riorare il loro confinamento. I plasmi di
serie di azioni per raggiungere questo scelta dei materiali la radioattività de- laboratorio sono stati “addomesticati”
obiettivo. Benché l’enfasi sia sullo svi- cade in alcune decine di anni. a poco a poco grazie ad un imponente
luppo delle energie rinnovabili, la de- sforzo scientifico di tipo sperimentale e
carbonizzazione del settore energetico Un reattore a fusione produce molta teorico.
difficilmente potrà essere raggiunta più energia per unità di massa di com-
da un’unica tecnologia e richiederà un bustibile di qualunque reazione chimi- Il Progetto ITER e la collaborazione tra
portafoglio di soluzioni energetiche ca come il bruciamento di benzina, gas le sette maggiori potenze
che includa anche fonti energetiche o carbone. Ad esempio, una centrale a economiche
non considerate rinnovabili, ma che carbone da 1 GW consuma 2,7 milio-
ni di tonnellate di combustibile/anno È importante sottolineare che negli
abbiano bassa o nulla produzione di
mentre una centrale a fusione di pari esperimenti attualmente in funzione
CO2. Per rendere questo mix di ener-
potenza si stima consumerà 250 kg di sono già raggiunti valori di densità e
gie pienamente sostenibile anche nella
combustibile/anno. All’interno del re- temperatura del plasma simili a quelli
fase successiva alla “transizione ener- attore saranno presenti pochi grammi richiesti in un reattore a fusione. Tutta-
getica” occorre sviluppare l’energia da di combustibile in ogni momento, ca- via, la potenza iniettata nella camera di
fusione che ha infatti diversi vantaggi: ratteristica che renderà questi reattori reazione per raggiungere queste condi-
• è virtualmente illimitata e diffusa – particolarmente sicuri. zioni è stata finora sempre superiore a
nell’acqua di mare c’è abbastanza com- Per ottenere reazioni di fusione occorre quella rilasciata dalle reazioni di fusio-
bustibile (deuterio e litio) per mandare riscaldare i reagenti (due isotopi dell’i- ne, con un record di 16 MW di potenza
avanti la Terra con gli attuali consumi drogeno, deuterio e trizio, quest’ultimo di fusione ottenuto sulla facility euro-
per alcune decine di milioni di anni; prodotto a partire dal litio) a tempera- pea JET a fronte di 25 MW di potenza
• la disponibilità del combustibile, uni- ture di circa 100 milioni di gradi – su- iniettata. Il primo esperimento in cui
formemente distribuito ed utilizzabile periori persino a quelle che si incontra- la potenza di fusione dovrebbe supe-
da tutti i popoli del mondo, non genera no nei nuclei delle stelle. A temperature rare ampiamente quella iniettata nella
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camera sarà ITER [1], in costruzione a nella camera di reazione – un fattore di siche del plasma effettuate in un am-
Cadarache in Francia. amplificazione della potenza pari a 10 – biente altamente radiogeno.
ITER, che ha di recente completa- per impulsi della durata di alcune cen-
to circa il 70% della costruzione e si tinaia di secondi fino a circa un’ora. La La costruzione di ITER ha rappresen-
prevede entri in funzione nel corso sua progettazione ha richiesto l’apporto tato un’opera di estrema complessità,
di questo decennio, è una collabora- di una vasta comunità di fisici che han- svolta in completa sinergia fra scienzia-
zione tra le sette maggiori potenze no cercato di comprendere le leggi della ti e ingegneri di numerose nazionalità,
economiche (Unione Europea, Cina, fisica dei plasmi e modellizzato in det- etnie, religioni e lingue, contribuendo
India, Giappone, Corea, Russia e Stati taglio il loro comportamento. alla coesione fra i popoli e all’innova-
Uniti) che rappresentano il 50% della zione in molti settori ad alta tecnologia.
popolazione e l’85% del PIL globale. Sfide scientifiche e tecnologiche Le sfide poste dalla costruzione di ITER
Tutti questi Paesi hanno programmi di sono state affrontate e superate grazie
ricerca avanzati sulla fusione motivati, La costruzione di ITER ha permesso a un dettagliato programma di ricerca
in alcuni casi, dalla urgente necessità di alla comunità scientifica di misurarsi e sviluppo che ha coinvolto l’industria
accesso a nuove fonti di energia. L’U- con le principali sfide di ingegneria del- europea e ha visto l’industria italiana
nione Europea ha da sempre la leader- la costruzione di un reattore a fusione: in prima linea, aggiudicandosi circa 1,3
ship mondiale delle ricerche in questo • magneti superconduttori di grandi miliardi di euro, oltre il 50% del valore
campo e sta sostenendo circa la metà dimensioni ed elevate prestazioni; delle commesse se si escludono gli edi-
dei costi di costruzione di ITER con • camere da vuoto di oltre 11 metri di fici e le infrastrutture. L’Italia è, quindi,
l’obiettivo di avere il massimo ritorno altezza e 19 metri di diametro, con tolle- nella posizione migliore per sfruttare il
scientifico da questo investimento e ranze di costruzione di pochi millimetri; ritorno di know-how industriale dalla
progredire nei tempi più brevi possibili • sistemi di generazione di onde elettro- costruzione di ITER.
verso DEMO, il reattore dimostrativo. magnetiche di alta potenza e fasci di ato-
ITER rappresenta un’estrapolazio- mi neutri di elevate energia e corrente; La via verso ‘DEMO’
ne rispetto agli esperimenti attuali • componenti affacciate al plasma che
sufficientemente piccola da renderci devono sopportare elevati tassi di ero- La via verso la costruzione del reattore
confidenti nel raggiungimento degli sione ed elevati carichi termici; dimostrativo DEMO prevede, in pa-
obiettivi, ma significativa per la di- • manutenzione remotizzata delle rallelo ad ITER, di procedere priorita-
mostrazione delle potenzialità dell’e- componenti dentro la camera; riamente a:
nergia da fusione. ITER produrrà 500 • sistemi di estrazione, stoccaggio e ma- • sviluppare e qualificare nuovi mate-
MW di potenza termica di fusione a nipolazione di elevate quantità di trizio; riali capaci di mantenere le proprie ca-
fronte di 50 MW di potenza iniettata • sistemi di misura delle proprietà fi- ratteristiche termo-meccaniche anche
sotto l’effetto del danneggiamento da
parte dei neutroni prodotti nelle rea-
zioni di fusione;
• perfezionare le tecnologie per la ge-
nerazione del trizio – prodotto all’in-
terno del reattore a partire dal litio;
• consolidare il quadro di conoscenze
dei meccanismi di base della fisica del
plasma in condizioni reattoristiche.
Per completare in tempo utile tutti gli
sviluppi che consentano, nel momento
in cui ITER consegua l’obiettivo di un
guadagno in energia pari a 10, l’inizio
della costruzione di DEMO, l’Unione
Europea ha sviluppato una Roadmap
[2] che conduce verso la generazione
di elettricità da fusione. DEMO, oltre a
produrre una potenza termica in quan-
tità molto superiore a quella di ITER,
Fig. 1 Veduta aerea del sito del reattore sperimentale ITER, in costruzione a
dovrà dimostrare la generazione netta
Cadarache, in Francia (maggio 2020) di energia elettrica e l’autosufficien-
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più studiata, ma questa configurazio- ROfusion contribuirà con 60 milioni a
ne potrebbe non essere estrapolabile a valere sui fondi Horizon 2020, il Mini-
DEMO. stero dello Sviluppo Economico e quello
per l’Istruzione, l’Università e la Ricerca
Il progetto DTT dell’ENEA con 40 milioni ciascuno, la Regione La-
zio con 25 milioni.
Per studiare configurazioni alternative Positive le ricadute sulla ricerca scien-
di divertore, la Roadmap all’elettricità tifica mondiale per i grandi progetti in
da fusione ha proposto la realizzazione corso e sull’economia italiana. Saranno
di una nuova macchina con lo scopo infatti coinvolti 1.500 tra scienziati e tec-
di trovare una soluzione estrapolabile nici (di cui 500 direttamente) e l’impatto
a DEMO, chiamata Divertor Tokamak sul PIL italiano sarà di circa due miliardi
Test (DTT) facility [3]. DTT rappresenta di euro.
una rilevante opportunità di crescita per Studi sulla penetrazione dell’energia
Fig. 2 Prototipo scala 1:1 del bersaglio il sistema ricerca italiano e sfrutterà al da fusione mostrano che essa può van-
verticale del divertore di ITER realizzato
da ENEA a Frascati (per Ansaldo
meglio le competenze conseguite dall’in- taggiosamente contribuire alla pro-
Nucleare) e provato con successo alle dustria e dai laboratori di ricerca italia- duzione di elettricità verso la fine del
condizioni di lavoro all’interno del ni durante la realizzazione ed utilizzo secolo fornendo il carico di base in un
reattore delle macchine Tokamak dei laboratori mix energetico a forte presenza di fonti
ENEA di Frascati, FT e FTU, e nella par- intermittenti, anche con sostanziale di-
za nella produzione di trizio. DEMO tecipazione alla realizzazione di ITER. Il sponibilità di energy storage. Il successo
inoltre dovrà dimostrare che è pos- DTT è stato ideato dall’ENEA in colla- di tale penetrazione dipenderà, da un
sibile costruire un reattore a fusione borazione con CNR, INFN, Consorzio lato, dalla economicità dell’energia pro-
con costi di investimento compatibili RFX, CREATE e alcune tra le più presti- dotta ovvero dalle soluzioni tecnologi-
con la sostenibilità economica della giose università italiane. che adottate. D’altro lato, essa dipenderà
fusione. L’investimento complessivo è di oltre in buona misura anche dalla determina-
Naturalmente il successo di questo 500 milioni di euro e, tra gli investimenti zione con la quale la società vorrà perse-
programma dipende dalla capacità di principali sono previsti 250 milioni stan- guire l’obiettivo della decarbonizzazione.
superare una serie di sfide scientifiche ziati dalla BEI con la garanzia del Fondo
e tecnologiche. Tra queste quella forse europeo per gli investimenti strategici (*) Paola Batistoni, Dipartimento Fusione e
più importante è la capacità di smal- (FEIS, pilastro del Piano Juncker), EU- Sicurezza Nucleare, Responsabile della Sezione
tire il calore generato dalle reazioni di Sviluppo e Promozione della Fusione; Marco
fusione e utilizzato per mantenere il Ciotti, Responsabile della Divisione Fisica del-
plasma alla temperatura di 100 milioni la Fusione; Alessandro Dodaro, Direttore del
di gradi. La soluzione individuata pre- Dipartimento Fusione e Sicurezza Nucleare;
vede di convogliare tale flusso di calore Giuseppe Mazzitelli, Vicedirettore del Dipar-
su un componente dedicato, detto di- timento Fusione e Sicurezza Nucleare
vertore, composto da piastre raffred-
date attivamente sulle quali i carichi
termici possono raggiungere valori di
alcune decine di MW/m2, dello stesso
ordine del flusso di calore che si ha sul-
la superficie del Sole! ITER utilizzerà Fig. 3 Divertor Tokamak Test facility
la configurazione di divertore oggi (DTT)
BIBLIOGRAFIA
1. www.iter.org
2. European Research Roadmap to the Realisation of Fusion Energy, www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/
3. DTT - Divertor Tokamak Test facility – Interim Design Report (“Green Book”) (https://www.dtt-project.enea.it/downloads/
DTT_IDR_2019_WEB.pdf)
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