La ricerca sulla Fusione Termonucleare controllata nasce allo scopo di offrire all’umanità una fonte di energia ecocompatibile, sicura e potenzialmente illimitata.
Le reazioni di fusione avvengono naturalmente nello Spazio e sono quelle che tengono “accese” le stelle.
Nel Sole, la stella del nostro sistema di pianeti, l’Idrogeno si trasforma in Elio, liberando una grande quantità di energia.
L’energia liberata da questo processo sostiene la vita sulla Terra. L’obiettivo della ricerca sulla fusione è riprodurre, in maniera controllata, processi analoghi a quelli che si verificano nel Sole per ottenere una fonte praticamente inesauribile di energia, sicura e compatibile con l’ambiente.
Per creare questa fonte di energia è necessario affrontare impegnative sfide scientifiche e tecnologiche finalizzate alla realizzazione del primo reattore a fusione. In questi ultimi decenni, la ricerca di fonti di energia pulita ha portato ad un sempre maggiore impegno politico e finanziario in favore delle ricerche sulla fusione.
L’Europa ha elaborato una precisa strategia, per la realizzazione dell’energia da fusione, con programmi definiti, affidati a laboratori di ricerca, università e industrie.
Tra questi la realizzazione di ITER, il primo reattore sperimentale a fusione, frutto di una collaborazione mondiale nel quadro di collaborazione tra Europa, Giappone, Russia, Stati Uniti d’America, Cina, Repubblica di Corea e India. ITER è già in costruzione a Cadarache (Francia) dovrà dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica della produzione controllata di energia da fusione a confinamento magnetico.
Nel reattore ITER si troveranno, alla distanza di un paio di metri, il punto più caldo e più freddo dell’Universo conosciuto.
Per far si che le reazioni di fusione possano avvenire sulla Terra, senza l’aiuto dell’enorme pressione esercitata dalla forza gravitazionale nel nucleo del Sole, si deve portare la temperatura del plasma di idrogeno, il carburante della fusione, a 150 milioni di gradi Centigradi, una temperatura 10 volte più alta di quella dello stesso nucleo del Sole.I magneti che circondano il plasma sono superconduttori e devono essere mantenuti ad una temperatura prossima allo zero assoluto.
Le reazioni di fusione si innescano quando due nuclei di atomi leggeri, ad esempio Deuterio (D) e Trizio (T), isotopi dell’idrogeno, superano la repulsione coulombiana e si fondono producendo:
Durante ciascuna reazione di fusione si libera un’energia pari a 17,6 MeV. Il nucleo di Elio trasporta circa il 20% dell’energia rilasciata (3,5 MeV), il neutrone trasporta circa l’80% pari a 14,1 MeV.
La somma delle masse dell’Elio e del neutrone risulta inferiore alla somma delle masse dei due nuclei di partenza. Questo si chiama difetto di massa: la massa perduta nalla reazione si trasforma in energia, secondo la famosa equazione di Einstein. L’energia liberata (E) è uguale alla riduzione della massa (Δm) moltiplicata per la velocità della luce al quadrato (c2), (E=Δmc2).
Gli ioni di Deuterio e Trizio saranno portati a 150 milioni di gradi nel futuro rettore sperimentale a fusione ITER . In queste condizioni, gli elettroni abbandonano i rispettivi nuclei e il gas si dice ionizzato ad altissime temperature è detto plasma o quarto stato della materia. Il plasma è il “carburante” del reattore a fusione.
A Padova dagli anni ’50, il nostro gruppo di ricerca, si occupa dei numerosi e complessi fenomeni che caratterizzano il comportamento dei plasmi da fusione, confinati tramite campi magnetici. La macchina oggi utilizzata per la sperimentazione si chiama RFX-mod2. E’ il più grande esperimento esistente in questa questa configurazione magnetica e consente, in particolare, lo studio della transizione del plasma da regimi a elevata turbolenza a regimi con minori perdite di energia.
Il primo prototipo dell’esperimento è entrato in funzione nel 1992. I risultati ottenuti hanno portato a nuove conoscenze e a continui miglioramenti dell’impianto.
Il miglioramento del confinamento, cioè della capacità del plasma di trattenere il calore prodotto al suo interno, richiede la comprensione dei meccanismi che regolano il trasporto di particelle ed energia. Per questo RFX-mod è equipaggiato di sistemi diagnostici per la misura le principali proprietà del plasma, come il campo magnetico, la temperatura e la densità di atomi ed elettroni e la presenza di impurezze.
L’attività di ricerca e interpretazione permette di capire i fenomeni che avvengono nel plasma e indicano la strada per nuovi sviluppi e nuove modalità operative da applicare per il miglioramento delle caratteristiche del plasma. I dati raccolti vengono usati dai ricercatori e confrontati con simulazioni numeriche elaborate al computer.
La messa a punto dell’impianto ha permesso di effettuare esperimenti con corrente di plasma elevata, fino a 2 milioni di Ampere, raggiungendo temperature elettroniche di circa 15 milioni di gradi.
L’altro grande progetto a cui partecipa il Consorzio RFX è ITER. A Padova è stata avviata la sperimentazione per realizzare il componente che dovrà portare il plasma alle temperature necessarie a innescare e sostenere le reazioni di fusione in ITER. Esso si comporterà come un “accendino” la cui potente “fiamma” penetrerà fino al centro del plasma.
Ma vediamo innanzitutto quali competenze la ricerca italiana ha messo in campo per realizzare il sistema di iniezione di particelle neutre (l’accendino!), in inglese chiamato “Neutral Beam Injector”, progettato per riscaldare la miscela di deuterio e trizio nel reattore fino a temperature di 150 milioni di gradi Centigradi.
Gli iniettori di ITER dovranno inviare nel plasma, con continuità, fasci di atomi neutri da 16 megawatt di potenza partendo da ioni negativi accelerati ad energie di 1 MeV. Si tratta di un insieme di dispositivi che comprendono un acceleratore di particelle e però producono fasci con atomi neutri e in numero enormemente più grande rispetto agli acceleratori convenzionali; questo richiede soluzioni tecnologiche peculiari e, poiché le prestazioni qui richieste non sono mai state finora raggiunte, un intenso programma di R&D in parallelo alla costruzione di ITER.
Il piano di ricerca prevede la realizzazione e messa a punto di due prototipi: SPIDER, la sorgente di ioni sulla quale è stata avviata la sperimentazione nel 2018, e MITICA, un iniettore completo in scala reale che verrà costruito anche sulla base dei risultati ottenuti preliminarmente in SPIDER. Mentre SPIDER ha già iniziato a produrre risultati sperimentali, per MITICA, sistema più complesso e attualmente in fase di realizzazione, l’avvio della sperimentazione è previsto nel 2023. E’ un programma di ricerca calibrato sull’avvio della sperimentazione in ITER, prevista a metà del prossimo decennio, e per questo è massimo lo sforzo necessario per rispettare le scadenze.
Il programma di R&D è attivo al Consorzio RFX di Padova, in un nuovo laboratorio di ricerca costruito a tal fine. L’Europa ha attribuito al Consorzio RFX questo delicato incarico di R&D in virtù delle competenze di fisica e ingegneria maturate nelle ricerche fin qui svolte sulla fusione ed in particolar modo nella costruzione e sfruttamento scientifico della macchina per ricerche sulla fusione denominata RFX-mod; sono state decisive, in questa scelta precedente, anche competenze sugli acceleratori di particelle possedute da INFN e sulle alte tensioni possedute dall’Università.
Fusion for Energy (F4E), l’agenzia che gestisce il contributo europeo a ITER, ha svolto un ruolo chiave nella costruzione dell’ITER NBTF (Neutral Beam Test Facilty).
Per SPIDER, F4E ha finanziato la realizzazione , da parte dell’industria europea, di componenti e impianti per un totale di 34 milioni di euro e ha sostenuto attività di ricerca e sviluppo su SPIDER e MITICA per circa 30 milioni di euro.
Il numero di aziende coinvolte nella costruzione di SPIDER supera il centinaio con investimenti pari a più di 62 Milioni di euro.
L’Italia oltre a vedersi assegnato un progetto di ricerca di grande rilevanza, ha avuto anche un ottimo riscontro industriale dove le aziende italiane hanno fatto la parte del leone nell’aggiudicarsi le commesse, attribuite su bando europeo, per la realizzazione di sistemi e impianti all’avanguardia che hanno richiesto sviluppi innovativi in grado di far crescere competenze e know-how dell’industria nazionale.
Si tratta dell’attribuzione ad aziende italiane dell’80% delle forniture per SPIDER e MITICA; esempi ne sono: Zanon – Schio (VI), OCEM – Valsamoggia (BO), COELME – Santa Maria di Sala (VE), CECOM – Guidonia (Roma), Angelantoni – Massa Martana (PG), DELTA-TI Impianti – Rivoli (TO), De Pretto – Schio (VI), Nidec ASI – Milano, Synecom – Bergamo
Anche importanti aziende straniere hanno contribuito a questo esperimento internazionale: Thales, PVA Tepla, Electronics Corporation of India Limited, Amtech Electronics India ecc.