Intervista a Paola Batistoni, per anni Responsabile della Divisione Sviluppo dell’energia da fusione dell’ENEA e attualmente rappresentante dell’Italia nel Governing Board dell’agenzia europea Fusion for Energy
Che cosa si intende con energia da fusione nucleare?
La fusione nucleare è il processo che avviene all’interno delle stelle e le alimenta; un processo in cui, sotto determinate condizioni, nuclei di atomi leggeri fondono in nuclei più pesanti, liberando una grande quantità di energia. È la reazione opposta alla fissione nucleare, nella quale nuclei molto pesanti, situati all’altro estremo della tavola periodica degli elementi (tipicamente uranio, plutonio), sotto determinate condizioni si rompono, anche in questo caso liberando una grande quantità di energia. Esistono già da decenni impianti che producono energia da fissione nucleare, mentre la fusione è ancora in fase di ricerca e sviluppo. C’è però grande interesse per questa tecnologia, che viene studiata in tutto il mondo per la produzione di energia elettrica, in virtù delle buone caratteristiche che presenta. Innanzitutto, non produce gas serra, perciò è una tecnologia energetica che può contribuire alla decarbonizzazione della società; in secondo luogo, il combustibile è praticamente illimitato. La reazione di fusione nucleare che si pensa di utilizzare coinvolge, infatti, gli isotopi dell’idrogeno: il deuterio, illimitato in natura (su circa 6000 atomi di idrogeno uno è nella forma di deuterio), e il trizio, viceversa, non presente in natura ma generabile all’interno di un impianto a fusione a partire dal litio. Se poi è vero che il litio è un materiale strategico e una risorsa non così illimitata, ai fini della fusione nucleare di litio sulla Terra ce n’è una quantità sufficiente per produrre energia da fusione per centinaia di migliaia di anni, grazie al fatto che nei processi nucleari la quantità di energia prodotta per unità di massa è diversi milioni di volte superiore a quella che si genera nei processi chimici, quindi occorre poca materia per generare molta energia (basti pensare che la fusione di 1 kg di deuterio-trizio genera la stessa energia che si genera nella combustione di 6.000 tonnellate di gas naturale). Inoltre, al contrario di quanto avviene nella fissione, nel processo di fusione non si generano scorie radioattive ad alta intensità e a lungo termine. Nella reazione tra deuterio e trizio si generano solo neutroni e nuclei di elio; e sebbene i neutroni prodotti, interagendo con le strutture del reattore, le rendano radioattive, con un’opportuna scelta dei materiali, la radioattività indotta può decadere nell’arco di circa 150 anni. La fusione poi è sicura, perché la reazione deve essere continuamente alimentata immettendo idrogeno dall’esterno e può essere interrotta in ogni momento; e non utilizzando uranio, plutonio, o materiali che abbiano implicazioni militari, non ha rischi di proliferazione nucleare, cioè di produzione di armi nucleari. Ultimo ma non meno importante, la fusione nucleare è un processo programmabile: può produrre energia in maniera continua e indipendente da condizioni metereologiche, climatiche, stagionali. In questo senso, può ottimizzare il mix energetico che si va configurando nei prossimi anni (sicuramente dominato dalle rinnovabili), affiancando le altre fonti nel fornire quello che si chiama il “carico di base”, il livello minimo e costante di domanda di energia elettrica che una rete deve soddisfare in ogni momento.
Facciamo un passo indietro. Quando abbiamo iniziato a replicare il processo di fusione nucleare in laboratorio?
La storia della fusione è interessantissima e si intreccia profondamente con i grandi eventi che hanno segnato gli ultimi decenni della storia dell’umanità. Fino a circa cento anni fa, non si aveva la più pallida di come il Sole generasse la sua energia. Era chiaro che avesse miliardi di anni e si sapeva quanta energia produceva, ma la fisica classica non riusciva a spiegarne l’origine. Solo con la nascita della fisica atomica si è iniziato a ipotizzare che questa energia potesse essere di origine nucleare, e ci sono voluti tutti gli anni Venti e Trenta del secolo scorso per comprendere la teoria delle reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle. L’idea di replicare questi processi sulla Terra per produrre energia è emersa poi negli anni intorno alla Seconda guerra mondiale, e subito dopo la guerra sono iniziati i primi esperimenti, in Inghilterra, negli Stati Uniti e in Unione Sovietica, che hanno inaugurato le due principali linee di ricerca: a confinamento magnetico e a confinamento inerziale. Per ottenere le reazioni di fusione nucleare servono infatti particolari condizioni: i reagenti, cioè l’idrogeno, devono raggiungere temperature estremamente elevate – come nelle stelle – perché i nuclei acquisiscano energie cinetiche sufficienti a vincere la repulsione coulombiana, si avvicinino moltissimo, e le interazioni forti prendano il sopravvento rendendo possibile la fusione nucleare. In termini pratici, occorre scaldare l’idrogeno a circa 150 milioni di gradi, una temperatura dieci volte più alta di quella che si ha al centro del Sole, oltre la quale l’idrogeno non è né solido, né liquido, né gassoso: è nella forma di plasma, cioè di un gas in cui gli atomi non sono più integri, ma scissi nelle loro parti, in nuclei ed elettroni. Il problema è che più i gas sono caldi, più tendono ad espandersi, e per favorire la fusione, al contrario, è necessario riuscire a contenere questo gas in un volume ben preciso, il più denso possibile, perché aumentino le probabilità di collisione. Ci si è affidati allora alle proprietà delle particelle cariche, che, in presenza di campi magnetici, sono costrette a muoversi lungo le linee del campo magnetico senza allontanarsene, come un treno è costretto a muoversi sui binari: è nata così, con i primi esperimenti dopo la Seconda guerra mondiale, la tecnologia a confinamento magnetico, il confinamento di un gas in un volume ben preciso utilizzando potenti campi magnetici. Nel tempo, le configurazioni magnetiche si sono andate complicando, per rispondere all’esigenza di massimizzare la temperatura, la densità delle particelle all’interno del plasma, e anche di contrastare i moti di deriva che tendono ad allontanare le particelle. Ma il vero motivo per cui questa impresa si è rivelata piuttosto ardua è che all’inizio nessuno conosceva i plasmi. Si pensa che nell’universo oltre il 99% della materia si trovi nello stato di plasma (le stelle, le nebulose, il mezzo interstellare), e che solo alcuni punti estremamente singolari come i pianeti rocciosi non siano plasma. Tuttavia, sulla Terra, gli esempi di plasma scarseggiano: abbiamo il fuoco, un plasma a bassissima temperatura, e i fulmini; ma nessuno, ai tempi dei primi esperimenti, aveva mai prodotto e osservato un plasma in laboratorio. C’era tutto uno studio preliminare da fare, anni di approfondimento sulle caratteristiche fisiche di questo stato della materia e sul suo comportamento in presenza di campi magnetici, che hanno portato, dopo decenni di sperimentazione e di sforzi coordinati a livello mondiale, al risultato di JET: mantenere il plasma stabile per cinque secondi alla temperatura di molte decine di milioni di gradi, in condizioni vicine a quelle che devono aversi in un reattore.
Che cos’è JET e perché questi cinque secondi sono significativi?
JET (Joint European Torus) è stato – si è da poco concluso – l’esperimento europeo più avanzato sulla fusione. Il 3 ottobre 2023 è arrivato a produrre, entro la linea a confinamento magnetico, un plasma che ha generato 12 megawatt di potenza e 69 megajoule di energia in modo controllato per cinque secondi: un intervallo che può sembrare trascurabile, ma che è in realtà molto lungo se confrontato con i tempi caratteristici del plasma, il quale, in assenza di controllo, si estingue in frazioni di secondo. Chiaramente, il risultato di JET rappresenta soltanto un punto di partenza. Perché la fusione possa avere applicazioni civili, come la produzione di energia elettrica, gli esperimenti dovranno generare in modo continuo una quantità di energia 30-40 volte superiore a quella necessaria per portare il plasma alle condizioni di fusione. E sebbene gli esperimenti a confinamento magnetico siano andati molto vicini al pareggio di potenza (il cosiddetto breakeven), questo pareggio non è stato ancora raggiunto. Diversa è la situazione degli esperimenti a confinamento inerziale, ovvero quegli esperimenti che, sotto l’azione di agenti esterni, tipicamente la radiazione di potenti laser, comprimono piccoli target di deuterio-trizio della dimensione del millimetro a temperature e densità tali per cui al loro centro si verificano le condizioni per la fusione nucleare. Il più importante tra loro, quello della National Ignition Facility (NIF) a Livermore, negli Stati Uniti, ha raggiunto il pareggio di energia nel 2022, e gli esperimenti più recenti basati sulla stessa tecnologia hanno persino superato il breakeven, pur rimanendo ancora lontani dai livelli di moltiplicazione di energia richiesti per l’immissione nella rete elettrica.
Su quale esperimento stiamo puntando oggi?
Adesso il progetto più importante al mondo è ITER, un reattore a fusione magnetica progettato per produrre 500 megawatt di potenza con un guadagno di potenza pari a 10, che è interessante per molti aspetti. Accennavo all’inizio che la fusione ha risentito delle vicende internazionali, come spesso accade alla big science, proprio perché è un’impresa grande e grandiosa, che coinvolge ingenti risorse e un’estesa partecipazione nel mondo. Negli anni Ottanta del secolo scorso, Reagan e Gorbaciov, che miravano a ridurre sensibilmente le spese militari nei rispettivi Paesi, si accordarono per collaborare sulla fusione nucleare, e questo accordo si concretizzò nel progetto ITER. L’Europa aveva già costruito e anzi stava cominciando a operare JET, ma pensava anche al passo successivo, a una macchina più grande di JET che potesse veramente produrre energia elettrica. Perciò, quando ITER partì, si domandò se fosse opportuno proseguire con il proprio progetto europeo oppure unirsi alla collaborazione globale di ITER e, alla fine, scelse ITER. Come l’Europa, scelsero in seguito ITER anche il Giappone, la Cina, la Corea del Sud e l’India: oggi il progetto coinvolge quasi tutto il mondo, sette grandi Paesi (con l’Europa intesa come un Paese solo), e dopo una lunga strada, la costruzione dell’esperimento è in via di conclusione nel sud della Francia, a Cadarache. È stata una bella impresa. Molto spesso si dice che la fusione è “accendere una stella”, ma si tratta anche di costruire la scatola che conterrà questa stella in sicurezza, e che sarà in grado di raccogliere l’energia prodotta e trasformarla in energia elettrica. Quando ITER è partito molte delle tecnologie per la scatola mancavano, ma il progetto è riuscito a svilupparle. I grandissimi magneti superconduttori in niobio-stagno (Nb3Sn) ne sono un esempio: magneti di 17 metri in grado di generare campi magnetici molto intensi, fino a 12 tesla, che sono i più grandi e potenti al mondo; oppure la tecnologia del divertore, il componente collocato nella parte interna del reattore, che riceve e smaltisce la parte dell’energia di fusione che i neutroni non portano fuori e che quindi rimane all’interno della scatola. Si tratta di un flusso di calore enorme, la stessa quantità che il divertore riceverebbe se fosse sulla superficie del Sole. Dunque, se è vero che nella fusione inerziale sono stati raggiunti risultati migliori in termini di guadagno di energia, è importante sottolineare che nella fusione magnetica si è più avanti sugli aspetti tecnologici.
L’acquisita maturità tecnologica sta accendendo l’interesse dell’industria per la fusione?
I risultati di JET e NIF, ma soprattutto la costruzione di ITER, hanno cambiato molto lo scenario internazionale sulla fusione. L’interesse dell’industria è cresciuto, e da cinque, sei anni a questa parte abbiamo assistito a un aumento veramente massivo degli investimenti privati, pari oggi a diversi miliardi. Sono state fondate alcune decine di start up, inglesi, europee, per lo più statunitensi, come la Commonwealth Fusion Systems (CFS), nata proprio con l’obiettivo di realizzare il reattore ARC entro il prossimo decennio, per avviare la transizione verso la produzione commerciale dell’energia elettrica da fusione. Con gli investimenti privati, anche quelli pubblici sono cresciuti, in primo luogo in Cina, dove l’accelerazione in termini di nuovi esperimenti e di sviluppo di tecnologie per il settore è davvero impressionante. In generale, c’è un grandissimo fermento, e auspichiamo che l’Europa riesca a mantenersi competitiva nello scenario internazionale. L’impegno europeo sulla fusione risale al 1957, ai Trattati di Roma, con cui nasceva Euratom, la Comunità europea dell’energia atomica. Di lì in avanti, tutti i programmi quadro dell’Unione Europea hanno supportato e finanziato ricerche sulla fusione, favorendo l’accrescimento di competenze in quasi tutti i Paesi europei, e facendo sì che l’Europa detenesse la leadership scientifica e tecnologica nel settore. JET è stato finora l’esperimento di fusione nucleare di maggior successo, e oggi l’Europa è partner maggioritaria di ITER, per il 50%.
Qual è stato il contributo italiano?
L’Italia è il secondo più grande contributore al programma europeo dopo la Germania. È impegnata sulla fusione dai trattati Euratom degli anni Cinquanta, e le prime ricerche sui gas ionizzati a Frascati risalgono al 1958. Da allora abbiamo sviluppato grandi competenze, presenti all’ENEA, al CNR, all’INFN, nei consorzi di ricerca CREATE e RFX a Padova, e in molti gruppi universitari. L’ENEA coordina una rete sulla fusione nucleare estesissima, e l’attuale direttore di ITER, Pietro Barabaschi, è italiano. Abbiamo una scuola molto forte, che è cresciuta grazie ai tanti esperimenti, come il Tokamak FT e il suo upgrade FTU a Frascati, e l’esperimento RFX a Padova. Nel tempo abbiamo inoltre realizzato numerosi impianti tecnologici, come la sorgente di neutroni a 14 MeV di Frascati (Frascati Neutron Generator), costruita per studiare l’effetto dei neutroni prodotti nella reazione di fusione sui materiali circostanti; la Neutral Beam Test Facility di Padova, che sta mettendo a punto la struttura per il sistema di iniezione di neutri che devono scaldare il plasma di ITER; gli impianti dove si studiano i componenti interni alla camera di reazione, detti mantelli, che a partire dai neutroni interagenti con il litio devono produrre il trizio necessario per proseguire le reazioni di fusione. La ricerca italiana è impegnata a 360 gradi sia sulla fisica sia sulla tecnologia per la fusione, e ha da sempre coinvolto, in uno stretto rapporto di collaborazione, l’industria italiana, con il risultato che quest’ultima ha acquisito commesse per la produzione di componenti ad alta tecnologia per ITER per oltre 2 miliardi di euro. In questo senso, la ricerca sulla fusione in Italia è un caso di successo: ha fatto crescere il nostro sistema-Paese, producendo un ritorno economico e in termini di competenze davvero importante. Tutte le competenze acquisite finora ci permettono poi di fare il prossimo passo: costruire un nuovo esperimento a confinamento magnetico, il Divertor Tokamak Test (DTT) facility a Frascati, con lo scopo di studiare, sviluppare e testare soluzioni per lo smaltimento della potenza sul divertore in condizioni reattoristiche. La soluzione sviluppata per ITER potrebbe infatti rivelarsi insufficiente in reattori a potenze più elevate, e occorrono soluzioni avanzate sia in termini di configurazioni magnetiche sia in termini di materiali e configurazioni ingegneristiche. DTT sarà l’esperimento di fusione europeo più importante e tecnologicamente avanzato dei prossimi anni in Europa, ed è già in fase di costruzione nel centro ENEA di Frascati. Al progetto partecipano i maggiori enti di ricerca italiani (tra cui l’INFN), diverse università e consorzi attivi sulla fusione e, per la prima volta, anche ENI, la maggiore azienda energetica italiana – un chiaro indicatore dell’interesse da parte dell’industria. L’impresa è parte integrante del programma europeo sulla fusione, e rappresenta in questo momento il maggiore impegno italiano accanto alla partecipazione a ITER e a IFMIF-DONES, un’intensa sorgente di neutroni basata su un acceleratore di ioni di deuterio su un bersaglio di litio, dedicata allo sviluppo di materiali per la fusione. Già in costruzione in Spagna, IFMIF-DONES sarà un’infrastruttura in cui diversi materiali saranno sottoposti a bombardamento neutronico, a livelli analoghi a quelli che si verificano all’interno del reattore, per testarne la resistenza e la capacità di mantenere buone proprietà fisiche e strutturali per periodi prolungati. L’Italia si è unita al progetto attraverso l’INFN, che si occuperà della realizzazione dell’iniettore e della sezione a bassa energia dell’acceleratore, e vedrà presto l’adesione anche dell’ENEA, che collaborerà alla costruzione del bersaglio.
Quando possiamo aspettarci che l’energia da fusione entri nella nostra rete elettrica?
La fusione ha la fama di arrivare sempre “tra cinquant’anni”. Negli ultimi anni, però, sono stati fatti progressi importanti, è cambiato il livello di impegno, e adesso stanno nascendo molte partnership tra ricerca e industria per lo sviluppo di tecnologie per la fusione. Se questo impegno sarà confermato, assisteremo nei prossimi anni a un’accelerazione significativa verso l’energia da fusione, anche perché non esistono ostacoli insormontabili. Ciò che serve è un approccio molto pragmatico, orientato al risultato, che è proprio quello che sta portando l’industria.
BIO
Paola Batistoni è stata Responsabile della Divisione Sviluppo dell’energia da fusione dell’ENEA, dove, dal 1984, si è dedicata alla fusione nucleare. Ha partecipato a numerosi esperimenti di fusione a confinamento magnetico in Italia e all’estero, tra cui JET, ed è stata leader di diversi progetti europei finalizzati alla progettazione e realizzazione del reattore sperimentale a fusione ITER. Nel corso della sua attività professionale è stata anche editor di una delle maggiori riviste internazionali sulla fusione (Fusion Engineering and Design) e responsabile in Italia dei rapporti con l’industria, occupandosi attivamente di promuoverne il coinvolgimento nel programma fusione. Attualmente rappresenta l’Italia nel Governing Board dell’agenzia europea Fusion for Energy.
