Il “nuovo” nucleare ha un punto in comune con il “vecchio”: spararle grosse

di Massimo Zucchetti

Un signore al quale invidio moltissimo il cognome, Salvatore Majorana (è un lontano pronipote di un cugino di quello vero, Ettore Majorana) se ne esce sul Corriere con un articolo-bomba: Majorana: «Nucleare, la terza via (tutta italiana) del reattore gentile che potremo tenere in casa»

Nella mia pur lunga carriera nel ramo (lavoro in questo periodo presso il Plasma Science and Fusion Center del MIT a Cambridge, USA), il reattore nucleare gentile, ‘nonviolento’, mi mancava.

Dice Salvatore (lo chiamerò così per evitare confusione con quello vero): “Oggi l’energia viene prodotta in grandi impianti, trasportata fino a noi con dispersioni enormi. Il mini reattore al quale lavorano i laboratori di Prometheus, all’interno del parco scientifico del Kilometro Rosso, sarà capace di generare energia direttamente in casa, o in auto, senza emissioni nocive e scorie radioattive. In sostanza, produce energia e idrogeno con acqua, elettricità e sale. Potrebbe sostituire il gas nei nostri scaldabagni, alimentare lavatrici e lavastoviglie in modo pulito e sicuro.
Ma questo sarà solo l’inizio, date le straordinarie possibilità di questa tecnologia. Il reattore è molto diverso da quanto si associa al nucleare: non è una centrale, non ha torri di raffreddamento e, come detto, non ha radiazioni. È un piccolo dispositivo che sfrutta un fenomeno definito LENR, che sta per Low energy nuclear reaction e funziona con un’onda impulsiva di energia che genera un plasma per pochi millisecondi”.

Continua: «Se nella fissione rompiamo un atomo con una reazione violenta e nella fusione cerchiamo di riprodurre le condizioni del Sole, qui il processo è completamente diverso: più dolce, naturale, senza scorie ed emissioni. Messe a confronto, fissione e fusione sono un urlo, mentre la LENR è un sussurro. Eppure, a volte, un sussurro può cambiare il mondo».

Dopo un moto di ammirazione per l’eloquio e l’inventiva di Salvatore, quella pochissima scienza che si è lasciato sfuggire in mezzo ad una serie di frasi ad effetto mi ha permesso di capirci qualcosa: son vecchio del mestiere, è dagli anni '80 che mi occupo di bufale e “sparate grosse” nel nostro campo. Ne ho viste tante.

Ebbene, con il termine “trasmutazione LENR” si definiscono delle ipotetiche trasmutazioni di alcune specie atomiche in altre, quale risultato di reazioni nucleari a bassa energia (Reazioni nucleari a bassa energia, LENR). Si tratta della nuova denominazione, adottata per sfuggire al discredito della denominazione precedente, per la FUSIONE NUCLEARE FREDDA.

La “fusione fredda”, esatto. Occorre tornare indietro al 1989, ed alla storia della più grande “sparata grossa” degli ultimi 40 anni, forse qualcuno la ricorderà. Secondo i sostenitori della Trasmutazione LENR, la quantità dei materiali che vengono a formarsi come sottoprodotto della reazione di fusione fredda, benché piccola, sarebbe comunque sufficientemente abbondante da poter essere individuata con le attuali tecniche di analisi.

Siamo ancora a livello di dispute sulla plausibilità scientifica del fenomeno, e sulla sua riproducibilità. Dopodiché, ‘trascurabile’ passaggio, occorre dimostrarne la fattibilità tecnologica (produzione industriale) e – altro trascurabile passaggio – la rilevanza commerciale, quella che permetterebbe di soppiantare i circa 440 reattori nucleari in funzione che producono il 10% dell’elettricità mondiale, oppure di mandare definitivamente in pensione le fonti fossili, senza dover ricorrere a metalli rari come il fotovoltaico.

Negli Stati Uniti il fenomeno LENR, nonostante le cocenti delusioni degli scorsi decenni ed un bando “de facto” dalla comunità scientifica, non è sottovalutato.

Salvatore dice che noi italiani saremo i primi. Duole informarlo che esiste da tempo negli USA la Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) LENR Exploratory Topic.

Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) ha finanziato lo scorso anno la piccola, ma non trascurabile cifra di 10 milioni di dollari, per otto progetti che lavorano per determinare se le reazioni nucleari a bassa energia (LENR) potrebbero essere la base per una fonte di energia credibile.

I team selezionati, provenienti da università, laboratori nazionali e piccole imprese, mirano a rompere lo stallo della ricerca in questo campo. C’è un progetto ed un ente apposito, che si chiama ARPA-E e che ha – secondo me – un approccio così corretto, scientifico, equilibrato, da essere molto condivisibile e anche consolante, dopo decenni di cacciaballe.

“L’ARPA-E si occupa di finanziare tecnologie energetiche ad alto rischio e ad alto rendimento”, ha dichiarato Evelyn N. Wang, direttore dell’ARPA-E. “I team annunciati sono pronti a rispondere alla domanda ‘quest’area è promettente e, se sì, come? O possiamo dimostrare in modo conclusivo che non è così?’ Mentre altri si sono allontanati da questo spazio, ARPA-E vuole superare l’impasse della conoscenza e approfondire la nostra comprensione”.

Come potete leggere, nessun accenno a “nucleare gentile”, a “sussurri e grida”, o ad altre maniere per insultare l’intelligenza del lettore.

I team sono:

1) Amphionic (Dexter, MI) si concentrerà sull’esplorazione della produzione di LENR in potenziali pozzi esistenti tra due superfici su scala nanometrica, controllando la geometria, la separazione, la composizione e il carico di deuterio delle nanoparticelle metalliche (NP). (Importo del finanziamento: $ 295,924)

2) L’Energetics Technology Center (Indian Head, MD) utilizzerà la co-deposizione elettrochimica di un composto metallico di palladio deuterato su un substrato metallico conformato su uno scintillatore plastico per stabilire e sostenere LENR. (Importo del finanziamento: $ 1.500.000)

3) Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley, CA) attingerà alle conoscenze basate su lavori precedenti che utilizzano fasci di ioni ad alta energia come fonte di eccitazione esterna per LENR su idruri metallici caricati elettrochimicamente con deuterio. Il team propone di variare sistematicamente materiali e condizioni, monitorando al contempo i tassi di eventi nucleari con una serie di diagnostiche. (Importo del finanziamento: $ 1.500.000)

4) Il Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, MA) svilupperà una piattaforma sperimentale che testerà in modo approfondito e riproducibile le affermazioni di anomalie nucleari nei sistemi metallo-idrogeno caricati con gas. (Importo del finanziamento: $ 2.000.000)

5) La Stanford University (Redwood City, CA) esplorerà una soluzione tecnica basata su nanoparticelle LENR-attive e deuterio gassoso. (Importo del finanziamento: $ 1.500.000)

6) La Texas Tech University (Lubbock, TX) si concentrerà sulla fabbricazione, caratterizzazione e analisi di materiali avanzati, insieme al rilevamento avanzato di prodotti nucleari come risorsa per i team all’interno del LENR Exploratory Topic. (Importo del finanziamento: $ 1.150.000)

7) L’Università del Michigan (Ann Arbor, MI) utilizzerà un esperimento di ciclo del gas che fa passare il gas deuterio attraverso una camera riempita con campioni di palladio nanocristallino. Le variabili includeranno la temperatura, le dimensioni dei nanocristallini e la lunghezza d’onda del laser. (Importo del finanziamento: $ 1.108.412)

8) L’Università del Michigan (Ann Arbor, MI) fornirà la capacità di misurare ipotetiche emissioni di neutroni, gamma e ioni dagli esperimenti LENR. La strumentazione moderna sarà abbinata alle migliori pratiche nell’acquisizione dei dati, nell’analisi e nella comprensione dei background per interpretare i dati raccolti e valutare il segnale proposto. (Importo del finanziamento: $ 902,213)

Per ora, nessun risultato scientificamente difendibile è stato ottenuto, ma la ricerca continua, in maniera seria.

Personalmente, sono una piccola formichina nel Team numero 4, quello del MIT. Il mio contributo è stato finora quello di evitare un deleterio fenomeno di parentela, discendenza, continuità, fra il “vecchio nucleare” (fissione o fusione che sia) e queste nuove tecnologie: la tendenza a spararle grosse, a fare promesse di energia pulita, fresca, dolce, chiara, gentile, woke, illimitata, quando si è in una fase pre-pre-pre-pre-pre-pre-pre-preliminare.

I danni di questo approccio sciagurato sono già stati gravi, evitiamone ulteriori.

Fonte

La fusione nucleare riaccende gli entusiasmi (almeno quelli)

Non si tratta di un articolo breve, perché non è – o non è soltanto – di “divulgazione” scientifica. L’Autore – docente di impianti nucleari al Politenico di Torino, per oltre venti anni al Mit di Boston, specialista in fusione nucleare tanto da entrare (nel 2016) nella cinquina finale dei candidati al premio Nobel per la Fisica – ha ritenuto giustamente che alla “divulgazione pubblicitaria” proposta dai media mainstream fosse necessario rispondere anche in punta di ricerca scientifica seria.

Di qui la lunghezza del testo, che però può solo tornare a vantaggio della serietà del lavoro e della discussione “sul nucleare”.

Buona lettura.

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di Massimo Zucchetti

Il recente accordo fra ENI e MIT, per lo sviluppo di un reattore a fusione nucleare “credibile”, ha riacceso molte speranze ed entusiasmi: in mancanza dell’accensione di plasmi termonucleari, che finora sono rimasti sulla carta.

Gli ultimi recenti sviluppi confermano quanto diciamo da molto tempo: non importa quanto lontano possa essere nel futuro, ma ITER è un percorso sbagliato per arrivare alla fusione nucleare commerciale, che così non diverrà mai una realtà. Tuttavia, con un diverso percorso, un “diverso iter”, la fusione “ha una possibilità di svilupparsi nel vicino futuro”.

Escludiamo dal nostro discorso i progetti militari di fusione inerziale, dei quali ci siamo già occupati e che, onestamente, ci ripugnano.

1. Una lunga storia

Dopo la Seconda guerra mondiale, molti scienziati nucleari si aspettavano che la fusione nucleare avrebbe fornito ai loro nipoti energia economica, pulita ed essenzialmente illimitata.

Generazioni di fisici e insegnanti di fisica hanno continuato ad insegnarci che:

- i progressi compiuti nella ricerca sulla fusione sono impressionanti,

- la fusione controllata è probabilmente solo a pochi decenni di distanza, e

- dati sufficienti finanziamenti pubblici, non ci sono grandi ostacoli tra noi e il successo in questo campo.

Ecco alcune citazioni da un paio libri di testo di Fisica che riflettono questo tipo di ottimismo:

“L’obiettivo fusione sembra essere visibile ora” (Nuclear and Particle Physics, Frauenfelder and Henley, 1974)

“Ci vorrà molto, probabilmente fino all’anno 2000, per portare un reattore di laboratorio al pieno utilizzo commerciale” (Energy, Resources and Policy, R. Dorf, 1978);

Sappiamo che non è andata così.

Nel frattempo, gli ottimisti della fusione sono diventati un po’ più cauti. Si può ora leggere: “Se tutto andrà bene, il primo prototipo di reattore a fusione commerciale potrebbe essere pronto tra 50 anni a partire da ora“.

Molti media sembravano, verso il progetto ITER, assai più entusiasti, quando esso fu lanciato, oramai due decenni fa:

- “In caso di successo, ITER fornirebbe all’umanità una fonte illimitata di energia” (Novosti, 15 novembre 2005).

- “In caso di successo, potrebbe fornire una fonte di energia pulita e illimitata” e “ITER afferma che entro 30 anni l’elettricità potrebbe essere disponibile sulla rete!” (BBC News, 21 novembre 2006).

Il pubblico, preoccupato per il riscaldamento globale e le esplosioni dei prezzi del petrolio, sembrava accogliere bene il tacito messaggio che “noi – gli scienziati della fusione, gli ingegneri e i politici – facciamo tutto ciò che è necessario per portare l’energia di fusione presto online, prima che le forniture di carburante fossile diventino un problema e prima che il riscaldamento globale ci frigga tutti“.

Il progetto ITER ha raggiunto ora una fase di costruzione avanzata: dopo un decennio di ritardi, il progetto, ora perlomeno, procede. Lanciato nel 2006, ITER è stato tormentato da ritardi e superamenti dei costi: la sfida di portare sei paesi, Stati Uniti, Cina, India, Giappone, Russia e Corea del Sud, insieme all’Unione europea, a costruire un reattore sperimentale si è rivelata assai ardua.

L’ultimo programma prevede che la macchina venga accesa entro il 2027 e che in realtà realizzi la fusione solo nel 2035, una dozzina di anni più tardi rispetto a quanto inizialmente previsto. Se anche si può ritenere plausibile la tempistica, l’ultimo bilancio, che aggiungerebbe altri 4,6 miliardi di euro (5,3 miliardi di dollari) di superamento dei costi per il progetto, desta onestamente qualche preoccupazione. Ma l’ottimismo continua: “Unlimited energy” è la frase senza senso compiuto che si legge a caratteri cubitali aprendo il sito di ITER (www.iter.org). Ribadiamo poi che ITER non sarà mai collegato alla rete elettrica, non è concepito per questo: è una macchina sperimentale per studiare la fusione termonucleare, non ha la produzione di energia elettrica fra i suoi obiettivi: il reattore “dimostrativo” (DEMO) sarà quello dopo ITER.

Va bene. Può anche darsi che ci vogliano più denari e più tempo del previsto. Ma questa è la strada per l’energia, se non illimitata, perlomeno abbondante, e quindi vale la pena di percorrerla? Noi lavoriamo sulla tecnologia della fusione nucleare da oltre trent’anni, e possiamo affermare che ancora crediamo – nonostante alcune delusioni – che la fusione termonucleare controllata rappresenti una opzione per il futuro energetico dei paesi industrializzati che valga la pena di esplorare.

Non però seguendo la strada che passa per il reattore ITER. O perlomeno, ben sapendo che i futuri reattori a fusione saranno molto diversi da quanto noi ci aspettiamo dalla evoluzione di ITER nel reattore dimostrativo DEMO e nel primo reattore commerciale denominato PROTO, così come viene prospettato dalla maggioranza degli scienziati e tecnici che si occupano di questo argomento.

Certamente, nessuno sa come saranno i futuri reattori a fusione, ma secondo noi ITER non è la strada migliore, ma soprattutto progettare DEMO come una estrapolazione di ITER è perlopiù fatica sprecata.

L’ultimo bilancio, con l‘esplosione dei costi per il progetto, desta qualche preoccupazione. Inoltre, un calcolo “dalla culla alla tomba” che includa la costruzione, l’esercizio e lo smantellamento, darà costi senz’altro ancora più elevati; a questo proposito, non si vede come la fusione possa poi essere preferibile ad altre fonti energetiche rinnovabili mature come l’eolico o il solare, soprattutto in una visione a medio-lungo termine di mezzo secolo nel futuro, quando le fonti rinnovabili avranno raggiunto livelli di sviluppo e maturità avanzati.

2. I problemi

Volendo essere un po’ provocatori, il problema principale dell’energetica nucleare da fusione sono i tecnologi che se ne occupano. Scienziati e tecnici di grande valore, ma dominati dalla provenienza dalla tecnologia nucleare da fissione.

A parte i fisici del plasma, brillante razza a sé che ha come antesignano emblematico uno dei più grandi geni della fisica del novecento, Andreji Sacharov, la prima generazione di tecnologi della fusione era composta null’altro che da fissionisti riconvertiti. Anche i loro successori, quelli attualmente in carica, seguono quella strada maestra.

Questo lo si vede anche dal tipo di progetti ai quali lavorano. Nulla da eccepire sulla qualità, ben inteso: la progettazione in garanzia di qualità introdotta dalla tecnologia nucleare ha costituito a partire dagli anni ’60 dello scorso secolo un progresso rilevante nella progettazione di impianti energetici. Però il risultato è che ancora adesso, pur essendo e dovendo essere differente, la tecnologia della fusione è di derivazione fissionistica.

Ad esempio, i mantelli fertili (si veda dopo) per la produzione di trizio che verranno studiati in ITER sono chiaramente di derivazione dalla tecnologia dei reattori a fissione di tipo PWR e HTGR. D’altra parte, come vedremo, un reattore a fusione a deuterio-trizio è null’altro che un reattore nucleare a tutti gli effetti, e quindi la tecnologia nucleare è indispensabile.

Il progetto ITER si è fatto via via sempre più grande e complesso: una buona parte degli sforzi di ricerca e sviluppo va nel coordinamento della miriade di gruppi in tutto il mondo che ci lavorano, nella cosiddetta “logistica”. Se ai più brillanti di quei tecnologi fosse stato consentito di ritornare “ricercatori” e pensare creativamente a qualcosa di diverso, forse non saremmo così in ritardo.

Produrre elettricità dalla fusione nucleare controllata secondo l’attuale ITER di sviluppo richiederebbe il superamento di almeno cinque ostacoli principali.

P1. Cosa succede in un plasma quando raggiunge elevati parametri di confinamento e tende all’ignizione?

Nessuno lo sa ancora veramente: esistono solo sofisticati modelli, ma nessun risultato sperimentale. Come si comporteranno le particelle alfa in quelle condizioni? Quali regimi si instaureranno, e saranno tali da poter trasferire effettivamente l’energia al plasma e permettergli di fungere da moltiplicatore di energia e addirittura di autosostentarsi?

Questa domanda – crediamo – è la prima cui rispondere: “Physics first”, prima la fisica, era il motto del nostro maestro, il professor Bruno Coppi del MIT, cui dedichiamo queste pagine. Enrico Fermi ottenne la prima reazione a catena e quindi il primo reattore nucleare a fissione nel dicembre 1942: per la fusione, non siamo ancora arrivati a quel punto.

Appare assai prematuro sviluppare reattori dimostrativi come DEMO se ancora non sappiamo le basi del comportamento di un plasma ignito. La produzione di energia commerciale – poi – richiederebbe, seguendo questa linea di sviluppo, condizioni di fusione allo stato stazionario per un plasma di deuterio e trizio su una scala paragonabile a quella dei reattori a fissione nucleare con potenza di 1 GW (elettrica) e circa 3 GW (termica).

Gli esperimenti di fusione del deuterio-trizio hanno finora raggiunto brevi impulsi di potenza di fusione di pochi MW (termici) per pochi secondi, corrispondenti a un’energia termica liberata di 5 kWh. Il valore Q (energia prodotta rispetto a energia in ingresso) per questi impulsi era al massimo di 0,65.

Se tutto funziona secondo gli ultimi piani – già più volte rimandati – avremo in ITER i primi plasmi D-T con una potenza di 0,5 GW termici e con un valore Q da 6 a 10 e per 400 secondi, nel 2035. Confrontato con la proposta ITER originale, che era 1.5 GW, con un valore Q di 10-15 e circa 10.000 secondi, è evidente la difficoltà.

I sostenitori di ITER spiegano che il raggiungimento di questo obiettivo sarebbe già un enorme successo, ed è vero. Ma questo “goal” impallidisce rispetto ai requisiti del funzionamento a regime, anno dopo anno, con solo poche interruzioni controllate minori. Per ogni impulso di ITER occorrono poi 0,035 gr di trizio e non è certo difficile procurarsi il combustibile per questo esperimento; ma per un reattore a fusione commerciale da 1 GWe servono 55,6 chilogrammi di trizio all’anno.

P2. Il materiale che circonda e contiene il plasma in un reattore a fusione avrà vita durissima.

Esso deve soddisfare due requisiti. In primo luogo, deve sopravvivere a un flusso di neutroni estremamente elevato con energie di 14 MeV (circa 7 volte i neutroni veloci che si originano dalla fissione), e in secondo luogo, deve farlo non per pochi minuti ma per molti anni. È stato stimato che in una centrale elettrica a fusione il flusso di neutroni sarà almeno 10-20 volte maggiore rispetto alle moderne centrali nucleari a fissione.

Poiché l’energia del neutrone è anche più alta, è stato stimato che – con tale flusso di neutroni – ogni atomo nel solido che circonda il plasma sarà spostato 475 volte in un periodo di 5 anni (cioè un irraggiamento di 475 dpa): come si comporti un materiale, bombardato in tal guisa, è attualmente ignoto.

In secondo luogo, il materiale della prima parete attorno al plasma dovrà essere molto sottile al fine di minimizzare l’assorbimento di neutroni, ma allo stesso tempo abbastanza spesso da resistere sia alle collisioni normali che a quelle accidentali del plasma. “L’erosione” del bombardamento di neutroni è stata stimata in circa 3 mm per anno per materiali simili al carbonio, e si stima che sia di circa 0,1 mm per anno di combustione anche per materiali come il tungsteno.

In breve, nessun materiale conosciuto oggi può neppure avvicinarsi ai requisiti sopra descritti. Esattamente come un materiale che soddisfi questi requisiti possa essere progettato e testato rimane un mistero, perché i test con flussi di neutroni così estremi non possono essere eseguiti né su ITER né su qualsiasi altra struttura esistente o pianificata.

P3. Il trizio è un nuclide radioattivo e quindi pericoloso per gli esseri viventi, sia popolazione che lavoratori dell’impianto.

Inoltre, il trizio è chimicamente identico all’idrogeno ordinario e, come tale, è molto attivo e difficile da contenere. Poiché il trizio è anche necessario per le bombe a fusione all’idrogeno, c’è il rischio aggiuntivo che possa essere “distolto” o rubato. Pertanto, gestire anche i pochi kg di trizio previsti per ITER potrebbe creare grossi grattacapi sia per la protezione dalle radiazioni sia per la proliferazione nucleare.

Incredibilmente, poi, quest’ultimo problema viene completamente ignorato: poiché la IAEA (Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica) non include il trizio fra i materiali di interesse bellico, semplicemente si afferma che la fusione nucleare controllata non ha rilevanti problemi di proliferazione.

P4. I problemi relativi alla fornitura di trizio e all’autosufficienza nella sua produzione sono seri.

In contrasto con le reazioni di fissione, solo un neutrone da 14 MeV viene liberato nella reazione di fusione D + T → He + n.

I neutroni prodotti nella reazione di fusione devono interagire con un materiale “moltiplicatore di neutroni” come il berillio in modo tale che il flusso di neutroni sia aumentato, quindi devono trasferire la loro energia ai materiali strutturali del mantello, un componente che circonda la prima parete. Questa energia deposta va poi asportata con un refrigerante come elio ad alta pressione o acqua, in modo che questo fluido caldo vada a produrre energia elettrica secondo un ciclo termodinamico uguale a quello che si ha nei reattori nucleari a fissione.

Nel mantello deve esserci un materiale a base di litio, in modo che esso, assorbendo i neutroni, generi del trizio. Il trizio va quindi estratto dal mantello, purificato, e stoccato in vista di ri-iniettarlo nel plasma. La tecnologia del mantello, sia per la produzione e gestione del trizio, sia per la refrigerazione e produzione di energia, è fra le più complicate nell’ambito della fusione.

Il trizio, chimicamente, è come l’idrogeno: difficile impedirne la permeazione, con conseguente contaminazione radioattiva dei componenti. I materiali, poi, interagendo con l’idrogeno, posso innescare reazioni esotermiche, oppure peggiorare le proprie proprietà termomeccaniche, già messe a “dura prova” dal danneggiamento neutronico.

Riuscire a produrre almeno un atomo di trizio per ogni atomo consumato (TBR = 1), e quindi per ogni neutrone prodotto, non è semplice, dato che i neutroni posso essere assorbiti da altri materiali che non il litio, o possono sfuggire dal mantello. Ma TBR = 1 non è neppure sufficiente: tenendo conto delle perdite, della necessità di alimentare altri reattori e di altri fattori, il TBR deve aggirarsi sul valore di 1.15.

Si ha inoltre che la reazione triziogena più conveniente è l’assorbimento di neutroni termici da parte dell’isotopo Li6, che però costituisce solo il 7,5% del litio naturale: questo andrà quindi arricchito con opportune tecniche. Ad colorandum, la tecnologia di arricchimento del Litio nell’isotopo Li6 ha rilevanza militare, usa principi e tecnologie simili a quella per l’arricchimento dell’Uranio.

Lo spessore minimo del mantello è stato stimato in almeno 1 metro, e questo fa sì che i magneti, che stanno oltre il mantello, siano di grandi dimensioni e molto lontani dal plasma che debbono contenere. I campi magnetici relativamente bassi che si ottengono nel plasma fanno sì che per ottenere la reazione di fusione occorra riscaldare il plasma con dispositivi aggiuntivi, e che – comunque – l’unico plasma confinabile e che possa bruciare e produrre energia sia in pratica quello composto da deuterio e trizio, i due nuclei più facili da fondere.

Abbiamo detto che circa 55,6 kg di trizio devono essere bruciati all’anno con una potenza elettrica di 1 GW. Oggi il trizio – in quantità di pochi chili all’anno – viene estratto dai reattori ad acqua pesante canadesi a costi straordinari, circa 30 milioni di dollari USA per kg. Ma è ovvio che qualsiasi futuro esperimento di reattore a fusione oltre ITER non deve solo raggiungere l’autosufficienza del trizio, ma deve creare più trizio di quello che utilizza, per alimentare futuri reattori.

P5. La radioattività, ancora.

Un ulteriore problema è dato dalla presenza di grandi flussi di neutroni di elevata energia, che rendono radioattivi i componenti del reattore più vicini al plasma, ovvero la prima parete e i materiali del mantello.

A causa del danno da radiazioni, questi componenti vanno cambiati ogni 5 anni, producendo così grandi quantità di materiali radioattivi. Essi saranno in volumi maggiori di quelli dei reattori a fissione, ma con una radiotossicità molto più bassa. Ovviamente, infatti, le scorie radioattive da fusione non conterranno plutonio, né prodotti di fissione come Cesio-137, Iodio-131 o Stronzio-90.

Con una certa attenzione nella scelta dei materiali componenti, è possibile sperare che possano bastare qualche decennio (per ITER) e un secolo circa (per DEMO) per poter smaltire questi materiali come scorie a bassa radioattività, oppure riciclarli all’interno dell’industria nucleare per costruire altri componenti.

Citeremo per ultimo il problema degli incidenti. Per la fissione, come sappiamo, il rischio più grave è causato dal fatto che questi reattori continuano a generare calore anche da spenti, e se questo non viene smaltito, può portare alla fusione del nocciolo, all’innesco di reazioni chimiche esplosive ed infine alla dispersione di materiali radioattivi pericolosi nell’aria e nell’acqua.

Un reattore a fusione, al contrario, pur essendo un reattore nucleare a tutti gli effetti contenente grandi quantità di radioattività, è come una caldaia continuamente alimentata a deuterio e trizio: se questa alimentazione cessa (la prima cosa che capita in un incidente), cessa anche la produzione di potenza dato che il plasma si spegne subito.

Ci sono buone speranze che un reattore a fusione incidentato riesca a contenere al suo interno tutta la propria radioattività e sia quindi un reattore nucleare sì, ma “intrinsecamente sicuro”.

3. Che fare? Una risposta a breve termine, e una no.

Un quadro sconfortante, ma non insolubile. Cerchiamo allora di riassumere, per vedere se c’è una “causa comune” per tutti i problemi, in modo da cercare un’alternativa.

I risultati scientifici e tecnologici odierni in tutte le aree pertinenti alla fusione nucleare sono ancora ordini di grandezza lontani dai requisiti di base di un reattore prototipo a fusione; particolarmente grave – in un approccio “physics first” – che non si conosca a tutt’oggi il comportamento di un plasma in condizioni di ignizione o perlomeno di elevati fattori di moltiplicazione energetica. Il ridimensionamento degli obiettivi di ITER – oltre che per motivi di costo e di elefantiasi di un progetto mondiale – sta anche nei risicati parametri di plasma ottenibili, a causa della performance appena sufficiente dei magneti superconduttori a bassa temperatura.

I campi magnetici sono bassi, anche perché le dimensioni del reattore sono molto grandi per la presenza del mantello, che poi tiene i magneti lontani dal plasma. Non sono noti materiali o strutture in grado di resistere al flusso di neutroni estremamente elevato previsto in condizioni realistiche di fusione del deuterio-trizio. La produzione autosufficiente e la gestione del trizio sembrano difficili da raggiungere nelle condizioni richieste per operare un reattore a fusione commerciale.

Sebbene probabilmente meno suscettibile ad incidenti gravi per l’ambiente e producendo scorie meno pericolose della fissione, i reattori a fusione saranno reattori nucleari a tutti gli effetti, cioè: con inventari di radioattività importanti. Proprio sulla loro maggior “pulizia” sta l’unica speranza di essere preferibili ai reattori a fissione, dato che sul costo dell’energia, in progetti simili, è davvero meglio sorvolare.

Può esserci rimedio a questa situazione? Se andiamo a cercare che cosa sta “sotto” la maggior parte dei problemi ora elencati, vediamo facilmente che la presenza di elevati flussi neutronici e del trizio creano parecchie difficoltà. Ma prima di questo, anche confinare ed accendere un plasma usando campi magnetici relativamente bassi è altrettanto difficoltoso: prima, vediamo di accenderlo, almeno un equivalente della Pila di Fermi, no?

Per questo motivo è stato un insperato “salto tecnologico” quello di ottenere materiali superconduttori non più alla temperatura dell’elio liquido (meno 270 gradi circa) ma a quella dell’azoto liquido (meno 80 gradi circa), con notevoli risparmi di energia per raffreddare i materiali e possibilità di avere progetti di reattori molto meno complessi e giganteschi, con prospettive di un grande incremento delle prestazioni.

La tecnologia viene studiata ad esempio al MIT di Boston (USA) dove recentemente è stato lanciato il progetto del reattore sperimentale a fusione SPARC, che basa la sua tecnologia sulla superconduzione ad alta temperatura. SPARC promette di arrivare finalmente alla fusione entro pochissimi anni.

Attualmente, proprio pochi mesi fa, il MIT ha appunto lanciato un nuovo progetto, con capofila i prof. Dennis Whyte e Zach Hartwig, il citato SPARC che ha già ottenuto i finanziamenti per poter essere realizzato, anche con l’appoggio fondamentale di ENI ed altre aziende private, non abituate a sprecare i propri soldi su progetti elefantiaci e di pura teoria.

Ma lo scrivente è convinto che il futuro della fusione termonucleare non si basi né sui neutroni né sul trizio. La reazione D + T –> alfa + n è infatti la più semplice da ottenere, ma non è l’unica. La ricerca si è indirizzata anche su altre reazioni di fusione, come ad esempio la fusione fra deuterio ed elio-3, che produce una particella alfa come la precedente, ma anche un protone invece di un neutrone. Certamente, un reattore a fusione a deuterio-elio3 ha alcuni piccolissimi difetti.

La reazione di fusione DHe3 è otto volte più difficile da raggiungere rispetto a quella DT. Se già non riusciamo a ottenere la seconda, come possiamo pensare alla prima?

L’elio-3 è praticamente inesistente sulla Terra, a parte quel poco che deriva dal decadimento del trizio nelle bombe atomiche. Per procurarsi l’elio-3 occorre raccoglierlo dalla superficie della Luna, dove invece è abbondante. Sulla Luna? “Massimo, you must b joking”. Però, la NASA ha studiato la tecnologia, e dice che l’elio-3 è l’unica ragione per tornare sulla Luna dalla quale manchiamo dal 1972.

Certamente, i reattori a deuterioelio3 hanno anche dei bei vantaggi.

Non vengono prodotti neutroni. Quindi niente radioattività indotta nei materiali. Non è proprio così, perché una limitata quantità di neutroni viene comunque prodotta da reazioni secondarie, ma il fenomeno è assai limitato.

Non si usa trizio. Quindi non è necessario produrlo. Ergo non serve tutta la tecnologia del mantello, perché non serve il mantello. Tra l’altro il reattore può essere molto più piccolo e meno costoso, perché subito dietro la camera a vuoto con il plasma si possono sistemare i magneti.

Non essendoci neutroni ma protoni, non serve il solito ciclo termodinamico per scaldare un fluido e poi con un generatore di vapore, una turbina ed un alternatore produrre energia elettrica. La si produce direttamente, con la conversione dei flussi di protoni direttamente in energia elettrica.

Non c’è danno da radiazione nelle strutture, data la bassissima presenza di neutroni. I materiali strutturali possono essere scelti fra i migliori esistenti (per esempio, superleghe a base di nickel, estremamente resistenti) senza preoccuparsi di sapere come si comportano sotto irraggiamento.

Un reattore a fusione con plasmi a Deuterio-Trizio ha ancora molti vincoli di parentela con i reattori nucleari a fissione. Un reattore a fusione con plasmi al deuterio-elio3 non li avrà più, potrà essere visto come un acceleratore di particelle cariche per la produzione di energia elettrica.

Tuttavia, perché parlare di reattori con plasmi praticamente impossibili da accendere ed il cui combustibile sta sulla Luna?

Un ulteriore salto improvviso nella tecnologia dei magneti superconduttori è probabilmente alle porte. Avremo fra non molto nuovi materiali con i quali costruire dei magneti superconduttori in grado di produrre campi magnetici molto elevati, e quindi finalmente confinare ed “accendere” come si deve un plasma in un reattore a fusione. Un plasma di che tipo?

Questo è il punto. Ci saranno fra breve magneti sufficienti per confinare ed accendere un plasma a deuterio-trizio: SPARC lo farà prima di ITER senz’altro. Ma basterà attendere la “generazione” successiva di magneti per riuscire a confinare ed accendere anche un plasma a deuterio-elio3. Fra le due generazioni di magneti potrebbero passare anche soltanto dieci anni.

Non pensate che – a quel punto – converrà aspettare pochi anni, e i plasmi a deuterio-trizio – con tutti i loro problemi indotti dal trizio e dai neutroni – diventeranno un ricordo del passato, mentre il primo reattore a fusione dimostrativo sarà “pulito” e basato su plasmi deuterio-elio3?

Dato che finalmente, una volta che la scena entrerà in movimento, la NASA riuscirà a far correre i suoi razzi per qualcosa di utile, e non solo per sete di conoscenza?

Saremo probabilmente alla fine degli anni ’30. Allora forse si dirà: ah, quanti sforzi profusi a sviluppare delle tecnologie che si sono poi rivelate poco utili! Se avessimo saputo: c’erano allora (negli anni ’10) solo pochi pazzi che insistevano sul deuterio-elio3, ma erano relegati ai margini.

Dice: tu aspetti la manna del cielo, il deus ex machina dei magneti superpotenti, ed intanto cosa fai? E se poi non arrivano? Meglio seguire la strada “sicura” di ITER.

Non è così. Occorrerebbe orientare la ricerca sperimentale sulle macchine tokamak ad alto campo magnetico e di dimensioni compatte. Le dimensioni compatte si ottengono anche rinunciando al mantello e ponendo i magneti superconduttori (quelli di oggi) vicini al plasma, dietro la camera a vuoto. Questo approccio ha il vantaggio di poter ottenere alti campi magnetici e quindi migliori parametri nel plasma. E – come prima cosa – si possono studiare e ottenere alti valori di Q e poi l’ignizione in plasmi D-T che funzionino coi magneti attuali.

Physics first: in questo modo avremo la possibilità di risolvere la prima delle grandi difficoltà della fusione (P1) e per fare questo non occorrono macchine di grandi dimensioni ed elevata complessità come ITER. Basta un tokamak compatto ad alto campo magnetico. In passato è stato proposto, dal gruppo del prof. Bruno Coppi del MIT, il reattore Ignitor che andava esattamente in questa direzione.

SPARC promette di venire costruito ed arrivare a stabilire record impensabili per i plasmi a fusione D-T entro pochissimi anni, utilizzando appunto la tecnologia dei magneti superconduttori ad alta temperatura (si intende, quella dell’azoto liquido). È questo l’iter da seguire: non ITER, per riprendere il gioco di parole che dà titolo a questo articolo.

Noi non diciamo qui che occorra abbandonare ITER, dopo decenni di sforzi per mettere insieme il progetto, proprio ora che sono a buon punto i lavori di costruzione del sito in Francia: un progetto al quale sono connesse le attività della grande maggioranza dei ricercatori e studiosi di fusione.

Non è forse troppo tardi, però, per riconoscere che il progetto ITER è a questo punto nient’altro che un costoso esperimento per indagare su alcuni aspetti fondamentali della fisica del plasma. Questo in effetti riconoscerebbe anche che l’attuale processo di finanziamento di ITER si basa su ipotesi errate e che ITER dovrebbe essere finanziato equamente a parità di condizioni con altri progetti di ricerca di base. Anche perché noi, contrariamente ai vertici del progetto ITER, non siamo sicuri che le nostre predizioni si avvereranno.

Conviene portare avanti il progetto ITER, perché non è escluso che esso possa effettivamente essere “la via” verso il reattore a fusione. Ma probabilmente, invece, ITER – pur fornendo miriadi di dati preziosissimi – sarà l’ultimo della sua specie, e dovrà rivedere in corso d’opera alcuni suoi programmi per l’ultima fase di funzionamento.

DEMO, come lo concepiamo ora, non vedrà probabilmente mai la luce. SPARC non ha bisogno dei fondi immensi di ITER per venire costruito. E questa piccola macchina sperimentale porterà i plasmi a deuterio-trizio al massimo livello di sviluppo raggiunto fino a quel momento.

Cosa succederà dopo? Noi, ripetiamo, non siamo aruspici. La soluzione più probabile è che il reattore dimostrativo non sia più DEMO, ma ARC, l’evoluzione di SPARC che già è in fase di studio, e che funzionerà anch’esso a plasmi deuterio-trizio.

ARC (Affordable Robust Compact Reactor) sarà però già collegato alla rete elettrica e sarà in grado di produrre elettricità in maniera economicamente competitiva: avrà la particolare capacità di poter produrre energia elettrica nei momenti della giornata (metà mattina e metà pomeriggio) nei quali la rete elettrica ha i suoi picchi di richiesta, e dove quindi l’energia “vale” assai di più che – ad esempio – la notte. Quello che si fa ora per fare il cosiddetto “load-following”, è accendere in quelle ore le centrali a olio combustibile oppure a metano. ARC potrà competitivamente sostituirle.

ARC funzionerà a deuterio-trizio, quindi avrà bisogno di un mantello, ed avrà – seppur in maniera molto inferiore – gli stessi problemi di approvvigionamento del trizio, di presenza di neutroni, e di radioattività di DEMO. Tuttavia, sfruttando sempre la tecnologia dei magneti ad alto campo, potrà permettersi dimensioni assai più contenute di DEMO, una semplicità di design e costruzione assai superiori, un costo molto più basso.

Il suo mantello sarà assai semplice, costituito da un fluoruro di litio e berillio liquido (FLiBe) circolante in un contenitore dietro la camera a vuoto. Potrebbe andare così, e già andrebbe bene.

4. Se diciamo una bugia, tanto vale dirla grossa

Potrebbe andare così, e già andrebbe bene. Ma potrebbe, come abbiamo accennato, andare ancora meglio. La tecnologia dei magneti superconduttori ad alta temperatura potrebbe fare quello che si dice un “break-through”, un altro salto, o passo avanti, e permettere di ottenere elevatissimi campi magnetici sufficienti a contenere e far bruciare un plasma a deuterio-elio3.

Anche questo tipo di plasma andrà studiato con un approccio “physics first”, con una macchina sperimentale che ci consenta di sapere cosa succede quando un plasma deuterio-elio3 brucia. I progetti di reattori sperimentali a deuterio-elio3 sono moltissimi nel mondo e non aspettano altro che di venire finanziati.

Nel nostro piccolo, segnaliamo che il progetto IGNITOR era in grado, come tutte le macchine ad alto campo magnetico e compatte, di studiare anche plasmi a deuterio-elio3. Ne è stata proposta e sviluppata negli stadi iniziali del design anche una evoluzione mirata esclusivamente allo studio di questi plasmi avanzati, chiamata CANDOR. Non si trattava di ‘cappelli di matto’, se nel 2015 il Comitato per il Premio Nobel per la Fisica è arrivato a considerare degne di nomina queste ricerche.

Per approvvigionare questi esperimenti, è sufficiente l’elio3 che si può ottenere artificialmente sulla Terra, analogamente al trizio che serve ad ITER. Sulla base dei risultati di SPARC e sull’uso di queste nuove tecnologie, sarà poi possibile lo sviluppo di una versione “ibrida” successiva, un ARC privo di mantello e che funzioni a deuterio-elio3: potrebbe essere questo il reattore a fusione dimostrativo. Connesso alla rete elettrica, pulito perché senza trizio e con pochissima radioattività, addirittura economicamente competitivo. Ed entro – diciamo – il 2035-2040.

A quel punto, però, le missioni commerciali sulla Luna per estrarre minerale con l’elio3 dovranno essere una realtà. La rinuncia al trizio farebbe sparire tutti i rimanenti problemi della fusione (P2-P5) liberando anche risorse economiche ingentissime che potranno servire per finanziare le spedizioni lunari, sulla cui fattibilità tecnica la NASA non ha dubbi.

In quel momento, ITER starà probabilmente funzionando nella sua fase DT, sconnesso dalla rete elettrica, e rilevantemente contaminato da trizio, con i suoi bassi campi magnetici forniti da magneti convenzionali.

Siamo certi che, a valle delle decine di mutamenti di progetto che ITER ha visto in questi anni, non sarà difficile trovare un modo per trasformarlo in una macchina sperimentale che fornisca dati utili per lo sviluppo dei reattori a fusione, quelli veri. Che, siamo pronti a scommetterci, somiglieranno ad ITER assai poco.

Riferimenti

1) Sito del progetto ITER: www.iter.org

2) M. Zucchetti, Fusione nucleare: ITER fuori strada (Puntozero n.10, 2018)

3) John Wesson, The Science of JET, Chapter 1 and Appendix I, March 2000; si veda il sito https://www.euro-fusion.org/devices/jet/ per i dati sugli esperimenti del JET.

4) E.E. Bloom, S.J. Zinkle, F.W. Wiffen, Materials to deliver the promise of fusion power – progress and challenges, Journal of Nuclear Materials 329–333 (2004) 12–19

5) La nuova corsa all’oro (The Lunar Gold Rush: How Moon Mining Could Work, May 29, 2015) https://www.jpl.nasa.gov/infographics/the-lunar-gold-rush-how-moon-mining-could-work

6) Il reattore SPARC. https://www.psfc.mit.edu/sparc

7) Il progetto Ignitor. http://www2.lns.mit.edu/ignitorproject/Ignitor@MIT/Home.html

8) Il reattore ARC. https://en.wikipedia.org/wiki/ARC_fusion_reactor

9) S. Segantin, D. Whyte, M. Zucchetti, Fusion Energy and the ARC Project, International Journal of Ecosystems and Ecology Science (IJEES), 7,4 (2017) 839-848.

10) B. Coppi, P. Detragiache, S. Migliuolo, M. Nassi, B. Rogers, “D-3He burning, second stability region, and the Ignitor experiment,” Fusion Technology 25, 353 (1994).

11) M. Zucchetti, R. Testoni, Energy: a study for advanced solutions including low-neutron nuclear fusion, Fresenius Environmental Bulletin 26(1):75-79 · January 2017

Fonte

Il nucleare pulito è una chimera

Il 15 aprile la Germania ha spento i suoi ultimi tre reattori nucleari ancora in funzione (Isar 2, Emsland e Neckarwestheim), con quattro mesi di ritardo rispetto alla scadenza originaria.

Lo stop è giunto a conclusione di un percorso che ha portato la Germania ad abbandonare l’opzione nucleare dopo il grave incidente di Fukushima e a privilegiare la produzione elettrica da fonti rinnovabili: nel primo trimestre del 2023, queste hanno infatti coperto il 51% del fabbisogno di energia elettrica contro un risicato 4% del nucleare.

L’obiettivo al 2030 è ancora più ambizioso: ottenere un mix energetico composto per l’80% da rinnovabili.

A Parigi, pochi giorni prima, l’Italia invece si univa, in qualità di osservatore, assieme a Belgio e Olanda, ai paesi appartenenti all’Alleanza Nucleare, che concordavano «sulla necessità di un quadro industriale e finanziario favorevole per i progetti nucleari», sottolineando l’importanza dei piccoli reattori modulari che, come scritto nel comunicato finale, «possono contribuire, insieme alle grandi centrali nucleari, al raggiungimento degli obiettivi climatici dell’Ue e alla sicurezza energetica, sviluppando competenze e indipendenza tecnologica».

Secondo fonti governative, l’Italia non avrebbe sottoscritto alcun documento, ma l’aver partecipato alla riunione resta pur sempre un fatto politicamente significativo e coerente con quanto dichiarato dalla Presidente Meloni al termine del Consiglio Europeo del 24 marzo.

L’Italia si aggancia al treno del cosiddetto nucleare pulito e sicuro, seguendo il miraggio della produzione di energia elettrica da fusione nucleare. Tanto ottimismo appare fuori luogo: produrre energia dalla fusione nucleare è tutt’altro che facile.

Realizzare il processo di fusione nucleare è stato paragonato a mettere il sole in bottiglia, sicuramente una frase d’effetto, capace di colpire la fantasia del pubblico, che però nasconde cosa in realtà ciò significhi.

Allora, vale la pena confrontare quello che davvero avviene nel nucleo del sole a 150 milioni di km da noi rispetto a quanto possiamo disporre sulla piccola Terra che gli ruota attorno.

All’interno della nostra stella c’è un plasma di protoni che, a quattro per volta, grazie a temperatura e pressioni elevatissime (16 milioni di gradi centigradi e 500 miliardi di atmosfere) fondono per dare un nucleo di elio, con un difetto di massa di 0,007, che si traduce in un’enorme quantità di energia secondo la famosa formula di Einstein E = mc^2.

Poiché queste estreme condizioni non possono essere riprodotte, nei laboratori terrestri più avanzati si cerca di ovviare all’impossibile replicabilità del processo di fusione solare, imitandone solo il principio.

Si ricorre, infatti, ai nuclei di due isotopi dell’idrogeno – il deuterio e il trizio – che, però, non hanno alcuna voglia di fondersi perché, essendo entrambi carichi positivamente, si respingono violentemente.

Tuttavia, se si riesce in qualche modo a portarli a contatto, entra in gioco una forza nucleare attrattiva che agisce solo a cortissimo raggio, ma che è molto più intensa della repulsione elettromagnetica: i due nuclei fondono con la formazione di un nucleo di elio (He), l’espulsione di un neutrone e l’emissione di una grandissima quantità di energia che si manifesta sotto forma di calore.

Il problema è che, al fine di costringere i nuclei di deuterio e trizio a scontrarsi per poi incollarsi, occorre mantenere confinato il tutto per il tempo necessario a produrre la fusione.

Per ottenere ciò si utilizzano principalmente due approcci. Uno si basa sul confinamento magnetico del plasma caldissimo formato dai nuclei di deuterio e trizio: un campo magnetico potentissimo generato dall’esterno costringe questi nuclei a muoversi lungo traiettorie circolari in modo che, giro dopo giro, acquistano l’energia necessaria per dare il processo di fusione.

La difficoltà è che il campo magnetico deve essere intensissimo e per mantenerlo tale ci vogliono dei magneti superconduttori che devono lavorare a temperature molto basse (-268 °C).

L’altro approccio è quello basato sul confinamento inerziale che consiste nel bombardare con dei potentissimi impulsi laser un piccolo contenitore in cui è presente una miscela solidificata (in quanto freddissima) di deuterio e trizio: si verifica così una intensissima compressione che fa salire contestualmente la pressione e la temperatura (fino a una sessantina di milioni di gradi), tanto da innescare la fusione.

Il primo approccio è quello che si sta affrontando a Cadarache in Francia da parte di un folto gruppo di paesi, compresi Usa, Ue, Cina e India, noto come il progetto Iter. La dice lunga il fatto che sono già stati spesi 20 miliardi di euro senza essere ancora riusciti a produrre quantità di energia maggiori di quelle utilizzate nel processo.

Presso la National Ignition Facility (NIF) del Laurence Livermore National Laboratory in California (Usa) si sta invece studiando il secondo approccio. Il 13 dicembre dello scorso anno i giornali di tutto il mondo hanno riportato con grande enfasi che il NIF ha ottenuto un importante risultato: l’energia di 192 laser focalizzata su una sferetta (pellet) contenente deuterio e trizio ha indotto in pochi nanosecondi la loro fusione, generando una quantità di energia (3,15 MJ) leggermente maggiore a quella iniettata dai laser nella sferetta (2,05 MJ).

La cosa passata sotto silenzio è che i 192 laser hanno consumato circa 400 MJ, ai quali va aggiunta l’energia richiesta dalle altre apparecchiature costruite e utilizzate per preparare e seguire l’esperimento.

Oltre a vincere la sfida energetica (produrre più energia di quella consumata), per generare energia su scala commerciale si deve vincere un’altra sfida praticamente impossibile: modificare l’apparecchiatura per far sì che produca energia non per una piccolissima frazione di secondo, ma in modo continuo.

La maggioranza degli esperti concorda sul fatto che con questo metodo così complicato è impossibile generare elettricità a costi commerciali competitivi. C’è allora il dubbio che i laboratori di ricerca, per assicurarsi gli ingenti finanziamenti pubblici necessari, cercano di vendere ai decisori e ai cittadini i risultati conseguiti come successi strepitosi e, anche, che la competizione presente da decenni tra confinamento magnetico e confinamento inerziale spinge a dimostrare di essere i più bravi.

Resta sullo sfondo l’inquietante spettro militare, perché il compito primario del NIF non è quello di studiare la fusione per ottenere energia, ma di sfruttarla a fini bellici.

La fusione nucleare ha molti altri ma. Il primo riguarda il fatto che, indipendentemente dal modo con cui verrà ottenuto questo processo (ammesso che ci si riesca), occorre disporre dei due isotopi dell’idrogeno. Mentre il deuterio è abbastanza abbondante, il trizio è molto raro (è radioattivo e decade con un tempo di dimezzamento di soli 12 anni).

Quindi, problema non da poco, ci si imbarca in un’impresa titanica sapendo già in partenza che manca la materia prima. Chi lavora nel settore dice che il trizio potrà essere ottenuto in situ bombardando con neutroni il litio 6, cosa che però aggiunge complessità a complessità.

Un ulteriore problema è connesso alla radioattività che i neutroni prodotti nella fusione inducono nei materiali che li assorbono, il che vuol dire che la struttura stessa del reattore diventa radioattiva e che, in fase di dismissione, crea scorie.

Anche se in questo caso i tempi di decadimento degli isotopi radioattivi non sono così lunghi come quelli creati dalla fissione, è un falso in atto pubblico definire il nucleare da fusione una tecnologia pulita, perché lascia comunque il problema della difficile gestione delle scorie.

C’è poi un grosso problema legato al confinamento magnetico e, in particolare, al fatto che i superconduttori devono essere raffreddati a elio liquido, un gas molto raro e sicuramente non sufficiente per la gestione dei futuri reattori a fusione dal momento che già ora sta scarseggiando.

Qualcuno teme addirittura che a breve non sarà più possibile utilizzare la tecnica Nmr, così importante nella ricerca scientifica e, soprattutto, in ambito diagnostico, proprio perché usa come liquido di raffreddamento l’elio.

La storia della fusione nucleare, dagli anni Cinquanta a oggi, dimostra che questa tecnologia non riuscirà a produrre elettricità a bassi costi e in modo affidabile in un futuro ragionevolmente vicino.

Nonostante ciò, l’11 marzo di quest’anno, i giornali hanno riportato che Eni vuole puntare tutto sulla fusione nucleare «perché – ha detto l’ad Claudo Descalzi – permette di ottenere energia pulita, inesauribile e sicura per tutti: una vera rivoluzione capace di superare le diseguaglianze fra le nazioni e di favorire la pace».

Questa affermazione lascia alquanto perplessi dal momento non si capisce come i paesi poveri potranno accedere a una tecnologia così sofisticata e costosa.

Descalzi ha poi aggiunto che nel 2025 sarà pronto un impianto pilota a confinamento magnetico in grado di ottenere elettricità dalla fusione e che nel 2030 sarà operativa la prima centrale industriale basata su questa tecnologia.

Sembra che all’improvviso e velocemente verranno risolti i tanti problemi incontrati dagli scienziati che lavorano nel settore da decenni: un vero miracolo!

C’è il dubbio, non tanto remoto, che questa sia un’ulteriore mossa di Eni per sottrarre risorse alle già mature ed efficienti tecnologie del fotovoltaico e dell’eolico.

Fonte

Fusione, e confusione, nucleare

Una campagna stampa di livello internazionale ha esaltato l’esperimento eseguito negli Stati Uniti volto alla realizzazione delle fusione nucleare controllata, un sogno (una promessa) inseguito fin dai primi passi della tecnologia nucleare negli anni ’40-’50 del secolo scorso: periodicamente ogni decina d’anni veniva annunciato che la realizzazione sarebbe stata vicina.

Oggi questo pomposo annuncio richiede molte precisazioni e distinguo, che inevitabilmente sfuggono a chi è a digiuno dell'argomento.

Fusione a confinamento inerziale, una scelta militare

Detto in parole semplici la realizzazione della fusione nucleare di nuclei leggeri (in un certo senso l’opposto della fissione di nuclei pesanti) richiede di riscaldare un plasma, tipicamente di deuterio e trizio, a milioni di gradi in modo che le energie cinetiche dei nuclei superino le barriere di repulsione elettrica.

La reazione di fusione nucleare è stata realizzata già nel 1949, ma in modo esplosivo; vale a dire nelle bombe termonucleari nelle quali un dispositivo primario a fissione genera la temperatura necessaria ad innescare un dispositivo secondario a fusione.

Da quel tempo è iniziata la ricerca per realizzare la fusione nucleare in modo controllato (non esplosivo) a scopi pacifici, ricerca che oggi si concentra su due metodi molto diversi: il confinamento magnetico di un “plasma” ottenuto dalla fusione di Deuterio e Trizio (DT) in macchine di grandi dimensioni del tipo Tokamak (l’esperimento più avanzato è l’impianto ITER, in costruzione a Cadarache in Francia) e il confinamento inerziale (FCI), concentrando su un corpo grande quanto un granello di pepe (pellet), composto sempre da D e T, enormi energie, tipicamente generate da superlaser, che comprimano e riscaldino il DT a milioni di gradi innescandone la fusione nucleare [1].

Ora, in queste ricerche si intrecciano interessi civili e interessi militari: un autorevole articolo di quasi 50 anni fa [2] metteva in chiaro che: «la simulazione delle armi può essere l’unica applicazione pratica della fusione laser in questo secolo [previsione completamente azzeccata]… gli esperti di armamenti si aspettano che la fusione laser diventi uno strumento sperimentale straordinariamente utile per studiare la ‘fisica delle testate’ fondamentale, unitamente a codici di simulazione elettronica sempre più raffinati, per sviluppare nuovi progetti di armi. ...

Da parte sua il generale Edward B. Giller, incaricato delle applicazioni e ricerche militari presso l’Atomic Energy Commission, ebbe a dire, durante una conversazione: ‘La gente va dicendo che questo è un programma energetico, ma [...] in realtà questo è ed è sempre stato un programma militare’».

In effetti, le ricerche finalizzate allo sviluppo di armi nucleari basate sulla fusione a confinamento inerziale si sviluppano proprio in quegli anni [3] quando, con la messa in discussione a livello mondiale degli esperimenti atomici, il Dipartimento della Difesa USA e il Dipartimento dell’Energia varano un programma per lo sviluppo delle armi nucleari di terza generazione, focalizzato su tre ambiti: Fusione a confinamento inerziale (FCI); Magnetized target fusion (MTF) o Fusione con bersaglio magnetizzato che, grosso modo, è una combinazione della fusione a plasma e di quella a confinamento inerziale ed infine la XRL, combinazione di raggi X di fonte nucleare con la tecnologia laser.

Le prime due reazioni presentano il “vantaggio” (tutto militare) di emettere anche neutroni ad alta energia che, nell’ottica della maggiore distruzione possibile e in scenari di guerra circoscritti, possono aumentare la letalità di un’arma basata sulla fusione [4].

Fra questi due tipi, la FCI veniva considerata la più promettente: «Entro il prossimo decennio [l’articolo era del 1990], le microesplosioni termonucleari prodotte dalla FCI potrebbero consentire agli scienziati di comprendere meglio la fisica delle testate che coinvolgono la produzione di raggi X, le dinamiche di implosione e le instabilità, ma solo se si riuscirà a realizzare l’ignizione delle pellets.

Poiché i laser e i fasci di particelle più potenti attualmente disponibili per la ricerca FCI non sono ancora in grado di fornire potenze superiori a 1 megajoule in relazione alla lunghezza dell’impulso richiesta, l’ignizione delle pellets rimane un compito formidabile».

Il campo di indagine era inizialmente circoscritto allo sviluppo di armi con potenziale compreso tra 300 kg di esplosivo equivalente ed 1 kilotone, quindi testate di dimensioni contenute, facilmente trasportabili o comunque abbinabili ad un vettore di rapido impiego.

Da notare che fino alla fine degli anni ‘80, i test nucleari sotterranei, data l’alta intensità di radiazioni prodotte, servivano anche a verificare se si riusciva ad ignire (accendere) le pellets di DT impiegate nella fusione inerziale.

Solo successivamente, e per i motivi sopra detti riguardanti i test nucleari, le sperimentazioni in laboratorio divennero prioritarie al punto che perfino la National Academy of Sciences americana descriveva i vantaggi potenziali della FCI per la progettazione di armi in questi termini [5]: «Un’utile risorsa di laboratorio di esplosivi termonucleari da 1000 MJ sarebbe uno strumento straordinario per esplorare la fisica delle armi termonucleari. Alcuni concetti su come utilizzare le armi nucleari come sorgenti di energia diretta, come i laser a raggi X o i fasci di microonde [6], potrebbero essere testati in un ambiente di laboratorio in modo rapido e interattivo... Campagne sperimentali estese... che avrebbero un costo proibitivo per i test sotterranei, potrebbero essere effettuate con una struttura FCI.»[7]

Aggiungendo: «L’implicazione è che una volta che un impianto FCI sarà in funzione, potrebbe fornire uno strumento cruciale per la ricerca e lo sviluppo di armi come gli XRL con esplosivo nucleare e le armi a fascio di microonde, perché potrebbe essere l’unica strumento di test accessibile per il numero di test richiesti.»

Dunque, diversamente da quanto si legge oggi sugli organi di informazione, lo scopo prioritario dell’intero progetto NIF (National ignition facility), di cui è parte integrante l’esperimento del 5 dicembre scorso presso il Lawrence Livermore National Laboratories, è di tipo militare; prova ne sia che esso è stato formalizzato all’indomani della messa al bando dei test nucleari sotterranei – votata dall’Assemblea generale dell’Onu nel 1996, ma mai ratificata dagli USA – proprio per ottenere in modo non distruttivo le informazioni risultanti da quei test.

D’altronde, nella conferenza stampa seguita all’esperimento del 5 dicembre, Mark Herrmann, direttore del programma di fisica e progettazione delle armi nucleari al Livermore, ha fatto la seguente dichiarazione, ripresa anche dal New York Times: «Questo esperimento ci aiuterà a capire meglio gli effetti delle bombe nucleari perché la grande generazione di potenza ottenuta, crea di per sé ambienti molto estremi che assomigliano da vicino a quelli provocati da una detonazione nucleare».

Finalità che Gillette aveva esplicitamente previsto già nel 1975: «la fusione laser può diventare uno strumento sperimentale straordinariamente utile per studiare la ‘fisica fondamentale delle testate’ [che presenta ancora molti aspetti oscuri] e ... per sviluppare nuovi progetti di armi».

Alla base di tutta questa vicenda c’era, indubbiamente, la competizione in campo nucleare tra USA e URSS, la cui massima intensità si raggiunse durante la cosiddetta guerra fredda. Tuttavia, se fino agli anni ‘80 la preoccupazione degli Stati Uniti di essere superati dall’Unione Sovietica aveva qualche fondamento (i sovietici erano molto avanti nello sviluppo della tecnologia MTF), l’idea di armi di terza generazione da impiegare in determinati teatri di guerra (come ad esempio quelli occorsi in Iraq e Afghanistan) è frutto dell’ossessione statunitense di mantenere il dominio esclusivo della deterrenza nucleare.

Atteggiamento riscontrabile già sotto l’amministrazione Reagan quando, nel 1987, rispondendo ad una interrogazione parlamentare relativa a questo tipo di armi, l’allora segretario di stato, John S. Herrington, rispose: «La ragione principale per cui stiamo perseguendo armi a energia nucleare diretta è sapere a che punto sono le conoscenze dei sovietici nel progettare e schierare armi simili, che metterebbero a rischio la forza deterrente strategica degli Stati Uniti o un futuro sistema difensivo».

Il guadagno di energia

L’aspetto più appariscente dell’esperimento condotto negli USA riguarda il cosiddetto “energy gain” che è stato presentato come una svolta storica nel cammino verso la fusione nucleare, perché per la prima volta è stata generata una quantità di energia superiore a quella emessa dagli impulsi laser per ottenere la reazione di fusione; cosa che, se non spiegata, lascia intendere all’opinione pubblica che il sogno di quei personaggi (tra cui lo stesso Leonardo da Vinci) che tra il ‘500 e il ‘700 si ingegnarono di realizzare il moto perpetuo, si sia avverato.

Ciò che si è ottenuto al Livermore, in realtà, consiste esclusivamente in un guadagno di energia nel rapporto tra quella fornita dall’impulso laser per fondere gli atomi di DT e quella ottenuta da questa fusione che è stata, rispettivamente, di 2,05 MJ (Mega Joule) e 3,15 MJ, con un guadagno di 1,5 volte (il cosiddetto “breaktrought” cioè più del 100%) per un tempo infinitesimo, dell’ordine del trilionesimo di secondo, ma per generare quell’impulso, i 192 laser impiegati hanno consumato una energia pari a 300 MJ, cioè 150 volte superiore a quella fornita dall’impulso e 100 volte superiore a quella ottenuta dalla fusione.

Ora non c’è dubbio che dal punto di vista della sperimentazione di laboratorio, questa prova rappresenti un successo, dato che fin’ora l’energia ottenuta in questi test non aveva mai raggiunto la soglia del “break-even”, cioè ottenere dalla reazione di fusione una energia almeno pari a quella immessa attraverso l’impulso laser, ma ciò non ha nulla a che vedere con il bilancio energetico dell’intero processo che rimane enormemente deficitario e dell’ordine di 100 a 1 (300 MJ contro 3,15 MJ) che in buona sostanza corrisponde al rendimento (estremamente basso) del tipo di laser impiegati.

Quello che è certo è che questo aspetto non ha nessuna rilevanza dal punto di vista militare, dove importa solo ottenere la fusione di un minuscolo pellet (nelle ricerche sulle armi nucleari sono state spese quantità di energia colossali, enormemente superiori alle potenze di tutte le testate realizzate): ma dal punto di vista industriale ciò significa che l’applicazione di questa tecnologia è ben lungi dal potersi, non si dica realizzare, ma almeno progettare.

Anche perché la tecnologia NIF – a differenza di quella ITER basata su di una reazione che si auto sostiene (plasma) – si fonda sulla possibilità di provocare la fusione “sparando” su una pellet singoli impulsi di energia laser (one shot) che non possono auto sostenersi e quindi per dare vita ad un processo continuo di generazione di energia bisognerebbe realizzare una macchina in grado di “sparare” impulsi di energia su una successione di pellets con un frequenza di varie volte al secondo.

Cosa che al momento risulta tecnologicamente ancora più difficile di quanto si presenti il confinamento magnetico del plasma.

Se infatti gli aspetti critici del confinamento magnetico risiedono nelle alte temperature che si devono raggiungere, che sono superiori a quelle del Sole, dato che non è possibile riprodurre la stessa densità della massa solare e nel mantenere il plasma stabile e isolato dalle infrastrutture, quelli del confinamento inerziale riguardano la sua discontinuità (one shot) che implica, sia una frequenza elevata di impulsi laser (quindi la possibilità che questi si ricarichino rapidamente, cosa per nulla scontata), sia una disponibilità illimitata di bersagli da colpire (pellets) di ridotte dimensioni, altrimenti l’energia rilasciata dalla reazione di fusione, oltre una certa soglia, assumerebbe caratteristiche distruttive.

Insomma, il risultato trionfalistico ottenuto al Livermore non è, almeno per ora e nelle intenzioni, un passo avanti per la promessa di produrre energia illimitata (che poi non è così), ma per potere progettare armi, forse micro-bombe a pura fusione (armi nucleari assolutamente nuove, di IV generazione): se poi potrà servire anche per procedere alla produzione pacifica di energia è comunque tutto da vedere.

Ma se non si comprendono questi aspetti non si fornisce veramente l’informazione utile e trasparente per l’opinione pubblica, e si rischia di mistificare la ricerche militari.

Un aspetto che non sfuggì al vecchio Hans Bethe [8] quando, nel 1997, mentre si stava per decidere il varo del NIF e la costruzione dei grandi laboratori al Livermore, scrisse una lettera al presidente Clinton in cui diceva: «È giunto il momento per la nostra Nazione di dichiarare che non sta lavorando, in alcun modo, allo sviluppo di ulteriori armi di distruzione di massa di alcun tipo. In particolare, ciò significa non finanziare lavori che guardino alla possibilità di nuovi progetti di armi nucleari come le armi a fusione pura».[9]

Note

[1] La luce laser è monocromatica (un’unica frequenza) e coerente (tutte le onde sono esattamente in fase): grazie alla sua coerenza la luce laser può rimanere concentrata per distanze molto lunghe, anche migliaia di chilometri nello spazio. La tecnologia dei laser ha registrato spettacolari progressi negli ultimi 30 anni, consentendo di raggiungere enormi potenze con apparati di dimensioni relativamente ridotte e di costo molto basso. I laser sono già utilizzati in diversi tipi di armi (proiettili a guida laser, laser nella difesa antimissile. Un laser emette degli impulsi di luce successivi e per aumentare la potenza emessa si deve ridurre la durata temporale di ogni impulso, in modo che l’energia viene emessa in un tempo minore, ma gli effetti non lineari e l’allargamento del fascio impedivano di aumentare corrispondentemente la potenza per cm2. L’impasse venne superato alla fine degli anni ’80 con l’introduzione di una nuova tecnica, chiamata chirped pulse amplification (termine difficilmente traducibile in italiano), che consentì un progresso spettacolare, raggiungendo intensità enormi, di 1021 W/cm2, avvicinandosi al limite teorico di intensità di 1024 W/cm2. Essi sono chiamati superlaser perché le loro interazioni con la materia sono qualitativamente differenti da quelle dei laser ordinari: essi consentono di generare condizioni fisiche estreme – pressioni e temperature, campi elettrici e magnetici estremamente elevati – che in natura si hanno solo all’interno delle stelle; essi possono generare direttamente reazioni nucleari, scindere nuclei pesanti, generare antimateria, generare fasci di ioni intensi e focalizzati, ecc.. I nuovi principi dei superlaser sono stati integrati nei sistemi esistenti di FCI nei laboratori di Los Alamos e Livermore negli USA, e in Francia, Gran Bretagna e Giappone. Le applicazioni militari dei superlaser sono molte e impressionanti e sono soggette a un’attività molto intensa praticamente in tutti i paesi industrializzati, dove sono stati creati dei centri specializzati. Qui ci riguarda in particolare la “fast ignition” della FCI per raggiungere la fusione nucleare.

[2] Robert Gillette, “Laser fusion: an energy option, but weapons simulation is first”, Science, vol. 188 (4 aprile 1975), pp. 30-34.

[3] Dan L. Fenstermache, “The Effects of Nuclear Test-ban Regimes on Third-generation-weapon Innovation”, Science & Global Security, 1990, Volume I, pp. 187-223, https://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs01fenstermacher.pdf

[4] Per le testate nucleari “tradizionali” era infatti stata ideata la “bomba al neutrone”, per potenziare l’emissione di neutroni, che però non è mai entrata a far parte degli arsenali nucleari.

[5] La citazione della NAS è tratta dalla ref. 2, senza data.

[6] Le armi a energia diretta includono laser ad alta energia, dispositivi a radiofrequenza o a microonde ad alta potenza e armi a fascio di particelle cariche o neutre. Un rapporto del 2020 (Henry “Trey” Obering, “Directed Energy Weapons Are Real … And Disruptive”, https://ndupress.ndu.edu/Portals/68/Documents/prism/prism_8-3/prism_8-3_Obering_36-46.pdf) afferma: «Le armi a energia diretta non sono più solo fantascienza. Esse sono reali e stanno maturando rapidamente. Nei prossimi anni, l’Esercito, la Marina e l’Aeronautica degli Stati Uniti hanno in programma di sviluppare e mettere in campo queste armi a un ritmo crescente. Saranno impiegate su veicoli terrestri, aerei, elicotteri e navi.» … «Gli Stati Uniti hanno fatto molta strada nello sviluppo delle capacità delle armi a energia diretta e ora si trovano in una fase critica. La tecnologia sta maturando rapidamente, stanno emergendo minacce che l’energia diretta può affrontare in modo quasi unico e i combattenti stanno segnalando il loro sostegno. Tuttavia, come per lo sviluppo di qualsiasi capacità militare senza precedenti, ci sono rischi, sfide e imitazioni che riguardano i costi, i tempi e le prestazioni.»

[7] Ibidem.

[8] Fisico tedesco, Nobel per la Fisica nel 1967, emigrato negli USA dove prese parte al progetto Manhattan e durante la seconda guerra mondiale, fu a capo della Divisione Teorica presso il laboratorio segreto di Los Alamos. Successivamente si schierò contro gli esperimenti atomici e il riarmo nucleare.

[9] https://scienceandglobalsecurity.org/archive/sgs07jones.pdf

Fonte

Fusione nucleare e guerra gas&oil

Fusione nucleare, solo quella del Sole è sostenibile e rinnovabile

Abbiamo una comprensione teorica della fusione nucleare da oltre un secolo, ma siamo ben lontani dal poterla impiegare come fonte elettrica continua e controllabile. Eppure, Repubblica, lo scorso 14 Dicembre, titolava: “Viaggio nel futuro, un bicchiere d’acqua ci scalderà per un anno. Nessun governo potrà più ricattare gli altri usando il petrolio o il gas come pistole”. Banalizzando e dando corpo a scenari irrealizzabili al presente e perfino scientificamente azzardati, una voce importante si è unita al coro fastidioso e incosciente di prostrazione del giornalismo nostrano all’annuncio che “l’Occidente” per definizione (gli Stati Uniti) è vicino, in solitaria, a realizzare il miracolo dell’energia del sole, così abbondante da tracimare da enormi impianti e da procrastinare il mito della crescita per un futuro senza limiti di contenimento.

“Ci vorranno almeno 30 anni” afferma invece Stefano Atzeni, dell’Università La Sapienza di Roma ed io ritengo che sia un grave errore da parte dei media tentare di capovolgere la sensazione diffusa che, invece, con la pandemia la guerra e il clima il tempo venga a mancare, se non si muta al presente, non fra 30 anni, il paradigma energetico dei fossili e del nucleare, rigidamente centralizzato ed a grande spreco.

E’ vero che il test realizzato al NIF (i laboratori di Livermore) ha prodotto più energia con la fusione di quella fornita ai laser utilizzati per provocare la reazione stessa. Ma è pur vero che, se si considera tutta l’energia impiegata e non solo quella che incide sul target, anzichè un guadagno netto, si ha un rendimento da numero decimale. E non sarebbe inutile osservare che, dopo ogni singola “iniezione”, occorre raffreddare il sistema ottico e ripristinarne le condizioni normali, con tempi non inferiori al giorno.

Il profluvio di sciocchezze date alla stampa risulta fuorviante e di non trascurabile danno, in particolare nella fase in cui siamo. Si è scritto e detto che “il processo avviene a velocità superiore a quella della luce" (“Repubblica”), che si impiega “acqua pesante, cioè non distillata da usarsi come materia prima: anche quella di mare” (Rampini sul Corriere) e, ancora, che “una mezza palla da basket” – evidentemente magica – sarebbe dovuta entrare nel «cilindretto lungo pochi millimetri» (Ansa), oppure, che “la fusione inerziale non genera radioattività, non produce scorie” (Descalzi, CEO ENI) (vedi qui.)

Questo modo di procedere tra scienza a spanne e tecnologia un tanto al chilo, ha innescato un processo politico di coinvolgimento e informazione dei cittadini con l’obbiettivo di mettere sotto il tappeto le emergenze cui dobbiamo porre adesso riparo, a partire dal ripristino della pace e dall’eccessivo riscaldamento climatico.

Un popolo incolpevolmente disinformato, una casta di giornalisti incompetenti ma pronti a propalare il mainstream predicato dall’Amministrazione Usa, una diffusione di miti energetici venturi, hanno occultato la “strada verso l’inferno” che stiamo percorrendo “col piede sull‘acceleratore”, come ha affermato il presidente dell’ONU Gutierrez alla Cop 27 in Egitto.

Sono tantissime le sfide tecnologiche che devono ancora essere superate, sia per la fusione a contenimento inerziale con i laser (quella che ha portato al risultato ottenuto a Livermore) sia per la fusione a confinamento magnetico (la tecnica del reattore ITER in costruzione a Cadarache in Francia).

Per averne un’idea, vale la pena di confrontare quello che davvero avviene nel nucleo del Sole a 150 milioni di Km da noi rispetto a quanto possiamo disporre sulla piccola Terra che gli ruota attorno. All’interno della nostra stella c’è un plasma di protoni, che, a quattro per volta, si fondono per dare un nucleo di elio, con un difetto di massa di 0,007 (che si traduce in energia secondo la famosa formula di Einstein E=mc^2) grazie ad una temperatura di 16 milioni di gradi e, soprattutto, grazie ad una pressione elevatissima, intorno a 500 miliardi di atmosfere, dovuta all’enorme massa del Sole. Queste condizioni sono estreme su scala umana e pertanto non possono essere riprodotte.

Qui, nei nostri laboratori più avanzati, cerchiamo di ovviare alla impossibile replicabilità del processo di fusione solare, imitandone il principio, ma ricorrendo a due rari isotropi dell’idrogeno – deuterio e trizio – i cui nuclei arrivano a fatica a compenetrarsi alle temperature e pressioni massime cui può giungere la nostra tecnologia più raffinata. L’esperimento a Livermore ha per la prima volta registrato un ritorno di energia, ma la continuità del processo non è affatto all’orizzonte, nonostante l’imponenza degli impianti e l’intensità dei finanziamenti.

Si pensi che il NIF – situato in California – ha le dimensioni di uno stadio ed è costato oltre 4 miliardi di dollari. Il suo ruolo nella ricerca di armi nucleari ne ha fatto un progetto controverso tant’è vero che il Sole 24 ore si chiede se “gli annunci dell’amministrazione Biden sulla fusione nucleare non siano un messaggio diretto a Vladimir Putin, che non ha niente a che fare con la crisi energetica in corso, ma, piuttosto, con i continui riferimenti del Cremlino a un attacco nucleare” (vedi qui).

E si rifletta sul fatto che ITER, il progetto concorrente a confinamento magnetico, è dotato di enormi toroidi percorsi da correnti di elevatissima intensità ed ha dimensioni di 20 metri di diametro e 10 metri di altezza con una capienza di circa 1000 m3. Se dovesse fornire energia con continuità, produrrebbe tonnellate di materiale radioattivo, essendo una intensissima sorgente di neutroni, che si arrestano solo sulla prima parete solida che incontrano.

Crea una certa apprensione la costruzione di “miraggi e società sempre più tecnocratiche, all’interno delle quali si starebbero perdendo i vincoli d’appartenenza e la possibilità di essere artigiani di legami e rompere le spirali che annebbiano i sensi”, come afferma Bergoglio (vedi qui). Temo che le mistificazioni sul “grande” risultato della fusione nucleare USA rischino di allontanarci da quel che occorre fare già da ora con le fonti rinnovabili, accontentandoci del reattore a fusione che rimane a 150 milioni di chilometri di distanza: il Sole.

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Oil & Gas e gli interessi per una guerra permanente

C’è una chiave anche lessicale per valutare l’approccio del governo delle destre alla lotta contro il cambiamento climatico: l’introduzione del concetto di “sicurezza energetica” abbinato alla funzione del Ministero per l’Ambiente. Un concetto che puntualizza la garanzia di potenza e velocità di fornitura delle fonti energetiche a cui si ricorrerà anche in futuro, assicurandone la prelevabilità da qualsiasi giacimento raggiungibile, purché in un Paese “amico”. Giacimento, ovviamente, richiama immediatamente la nozione di fossile, assai più che l’enorme disponibilità di fonti naturali diffuse, rinnovabili, non esauribili. E questo anche quando il bilancio di materia e energia risulti svantaggioso rispetto a soluzioni locali ormai tecnologicamente accessibili. Eppure, le rinnovabili sono a portata di mano ed a costi assai minori delle fonti fossili, ma sono talmente deprecate e scoraggiate dall’azione delle lobby Oil &Gas, potentissime a livello delle istituzioni e della comunicazione mainstream, da oscurare la necessità di una immediata conversione energetica, impostata sul decentramento e il risparmio in un assetto comunitario e cooperativo che solo vento, acqua, sole e biomasse possono sviluppare.

La sicurezza energetica e climatica che i governi continuano a perseguire è un concetto a carattere prevalentemente nazionale, che rafforza le dinamiche a favore della militarizzazione dei confini e descrive la migrazione su larga scala come “il problema più preoccupante associato all’aumento delle temperature e del livello del mare” (vedi qui). I piani di sicurezza climatica si nutrono di narrazioni di paura e di un mondo a somma zero in cui non tutti possano sopravvivere. Il modello fossile risponde a questo schema tutto sommato liberista e non può che essere sollecitato da cospicui interessi, che hanno oggi la loro base nell’industria militare e nella filiera del gas. Ad esso, purtroppo, si va orientando l’attuale governo in carica, a meno che si riorganizzi un’opposizione sociale e politica con un progetto alternativo di chiaro stampo ecologista. Occorre, cioè, contrastare una transizione energetica infinita e una definitiva concentrazione finanziaria e produttiva nelle mani dei soliti noti, attorniati magari da nuovi interessati, affini alla maggioranza parlamentare in corso.

E così, sotto la supervisione di Crosetto e di Cingolani, il governo Meloni associa l’invio di armi all’Ucraina ad un revival della combustione a elevate emissioni (e, in futuro, chissà… reattori nucleari!), a conferma del fatto che i profitti delle industrie delle armi e di Oil&Gas si sono impennati da Marzo 2022. Quindi, carbone a pieno ritmo nelle centrali, sfruttamento estensivo di tutti i possibili giacimenti nazionali fossili e decisa e duratura ripresa della filiera del metano, che contribuisce ad un improvvido aumento della CO2 – dispersa in atmosfera o infilata sottoterra – con bilanci di energia e materia insostenibili e incomparabili con la riduzione prevista dal ricorso a cicli rinnovabili.

La crisi scaturita dall’invasione russa dell’Ucraina avrebbe dovuto essere l’occasione per un cambiamento radicale di approccio e per la ripresa del controllo pubblico sul settore energetico. Anche se la “terza guerra mondiale a pezzi” si va estendendo per una ragione di cause molto articolata, non può sfuggire quanto in questa fase accelerata dell’Antropocene gli interessi del settore energetico vadano messi sotto osservazione speciale e siano all’origine del deteriorarsi del conflitto climatico in particolare.

Si può stabilire un legame tra la guerra – quella in Ucraina in particolare – la procrastinazione dell’uso del gas, il brusco cambio del clima da una parte e le manifestazioni di insofferenza degli studenti, la coscienza sicura e diffusa del degrado della biosfera e del pericolo nucleare dall’altra, che incominciano a rimarcarsi nelle mobilitazioni per la pace, razionalmente non violente e senza bandiere. Si incomincia ad intendere, anche sotto le atrocità della guerra e alle minacce della bomba, che c’è un “taglio militare” che sostiene la “sicurezza energetica e climatica” contrapponendola alla “giustizia climatica”, nel momento in cui stiamo valicando il limite di 1,5 °C per attestarci oltre 2,5°C. È pertanto ancora accettabile l’annientamento di popoli, territori, coltivazioni, animali, in oltre 200 territori in armi nel mondo, uno dei quali dentro l’Europa? Non solo gli eserciti usano allo stremo alti livelli di combustibili fossili, ma si combattono con armi e artiglieria sempre più tossiche e inquinanti, infrastrutture mirate soggette a distruzione, con danni ambientali durevoli.

Per avere un’idea dei consumi dei mezzi militari, un carro armato leggero consuma 300 litri di combustibile per 100 chilometri e immette oltre 600 kg di CO2 in atmosfera. Un caccia F-35 utilizza oltre 400 litri di carburante ogni 100 chilometri e immette in atmosfera circa 28.000 chilogrammi di CO2 per ogni missione di volo. Le stime ci dicono che un mese di guerra tra Russia ed Ucraina potrebbe portare ad emissioni di anidride carbonica nell’aria pari a quelle emesse in un intero anno da una città come Napoli o Firenze (vedi qui).

La giustizia climatica, al contrario, non contempla la guerra e impegna invece ad uno sforzo preventivo anche economico per evitare eventi catastrofici e distribuire capacità di resilienza e solidarietà laddove questi si manifestano.

Perché allora l’opinione pubblica non reagisce a questo stato di cose rovinoso?

Perché pace e rinnovabili sono così lontane dall’azione politica che non sia quella ormai spossata di Bergoglio? Perché – aggiungiamo qui – la UE non è protagonista di un’azione di tregua sul bordo dei suoi confini e non rilancia il significato in questa fase rivoluzionario del Next Generation EU? Non è certo secondaria un’accondiscendenza dei vertici di Bruxelles alle pressioni lobbistiche di Big Oil che hanno vinto su tasse e una tassonomia aperta a gas e nucleare.

L’italiana Eni, la spagnola Repsol, la francese Total e l’anglo-olandese Shell hanno sostenuto ben centotredici incontri con la Commissione europea dall’inizio di febbraio alla fine di settembre. Le pressioni esercitate sulle istituzioni europee hanno permesso alle società del settore di “uscire dal dibattito sulla tassazione degli extra-profitti con danni minimi” e di “sfruttare la crisi a proprio vantaggio costringendo l’Ue a sostenere investimenti infrastrutturali che ci legheranno ulteriormente al consumo di metano” (v. qui). Per quanto riguarda l’industria armiera, non a caso in connubio con le big company del gas, l’obbiettivo è quello di espandere l’industria della difesa nei mercati ambientali, come più significativo mercato adiacente, in un afflato di green-washing, che nasconda una predisposizione ai combustibili fossili e al nucleare.

Già il 22 Ottobre scorso Federico Fubini poneva sul Corriere della Sera il dubbio se la transizione energetica, proiettata al 2030 dal Green Deal UE come “fit for 55- rinnovabili – efficienza – idrogeno verde”, fosse invece stata convertita, in seguito alla piega presa dalla guerra in Ucraina e dalle sanzioni alla Russia, in ricerca affannosa di un approvvigionamento d’emergenza di gas, reso sollecitamente accessibile dagli Stati Uniti di Biden. La potenza militare più temuta al mondo, già egemone tecnologicamente e autonoma energeticamente, avrebbe così posto l’Italia “in uno stato di inferiorità strategica, competitiva e industriale rispetto al mondo di oltreoceano con pochi precedenti recenti”. (vedi qui).

Fubini fa riferimento all’implementazione delle consegne di gas liquido da oltreoceano via nave: una trasformazione epocale dell’approvvigionamento del metano che mette alle corde i tradizionali gasdotti, geopoliticamente vincolati ai territori da attraversare. Oltre Atlantico, infatti, viene estratto il gas di scisto, trasferito ad impianti di liquefazione e trasportato dalle metaniere che, oltre alla Spagna ed ai Paesi Baltici, dove già approdano, potrebbero ormeggiare lungo le nostre coste presso grandi impianti rigassificatori, a complemento del gas residuo di pochi metanodotti: non più russi, ma provenienti dall’Africa e dall’Azerbaijan.

Il ciclo del gas liquido (GNL) è molto inquinante: passa infatti da estrazioni rovinose sotto il profilo ambientale (shale gas e sabbie bituminose), dal successivo processo di liquefazione, dal trasporto via mare a lunga distanza in grandi serbatoi, dalla successiva rigassificazione e dall’aggancio finale ai tubi dei gasdotti locali. In questi passaggi complessi risulta ancor più rilevante la dispersione in atmosfera di quantità di CH4 puro, fortemente climalterante.

La guerra e le sanzioni stanno, di fatto, favorendo la sostituzione gas-gas, non, come si prospettava, gas-rinnovabili e ad un prezzo che per noi vale sei volte quel che si paga negli States. La fornitura di gas liquido via nave, in effetti, rappresenta una rivoluzione silente, ma molto perniciosa e, di fatto, contiene la risposta di Gas &Oil per ritardare la “transizione ecologica”, con un protrarsi del ricorso al metano ben oltre i termini fissati dalla UE.

Questo ribaltamento si ostacola se, anziché la via della sicurezza energetica, viene sostenuta e praticata quella della giustizia climatica – ovvero l’ecologia integrale della Laudato Sì – che non contempla la guerra e impegna invece ad uno sforzo preventivo anche economico per evitare eventi catastrofici e distribuire capacità di resilienza e solidarietà laddove questi si manifestano. Ho la speranza che cominci a manifestarsi un bisogno di democratizzazione del processo decisionale e l’emergere di nuove forme di sovranità che richiederebbero necessariamente una riduzione del potere e del controllo dei militari e delle corporazioni e un aumento del potere e della responsabilità nei confronti dei cittadini e delle comunità. Lo considero uno dei compiti principali della ricostruzione della sinistra.

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Per inerzia verso nuove bombe termonucleari

di Massimo Zucchetti

È notizia recente che un apparato sperimentale statunitense, la National Ignition Facility (NIF) avrebbe compiuto un grande passo in avanti nello studio della Fusione Termonucleare Controllata, rendendo più vicina e più credibile la proposta della Fusione come una fonte di energia nella seconda metà di questo secolo.

Per la prima volta, in un reattore e non in una bomba, un plasma termonucleare è in grado di autosostenersi senza bisogno di apporto di energia dall’esterno per mantenersi “caldo” e in grado di continuare le reazioni di fusione. È l’ignizione: una meta inseguita fin dagli anni '50.

Leggiamo ovunque affermare che questo significhi “produrre più energia di quanto se ne consumi” (condizione di “breakeven”), ma non è corretto: l’ignizione è molto di più e molto meglio.

Un plasma ignito in un reattore a fusione è in grado di produrre energia sotto forma di neutroni molto veloci che – opportunamente rallentati e assorbiti nella struttura del reattore – vi depongono calore il quale, asportato da un fluido, serve a riscaldarlo e quindi, nei modi consueti dei cicli termodinamici, a produrre elettricità.

Questo mentre – sempre grazie all’energia sprigionata dalla reazione di fusione – il plasma ignito è in grado anche di badare a se stesso, mantenendosi alla giusta temperatura e densità per poter continuare a reagire senza apporti dall’esterno.

Idealmente, il parallelo con la “criticità” del primo reattore a fissione, la pila di Fermi del dicembre 1942, viene spontaneo e non può non entusiasmare.

Quasi nessuno di chi celebra questo passo in avanti, compiuto dalla tecnologia denominata “Fusione Inerziale Controllata” (ICF), però, oltre a confondere breakeven con ignizione, dimostra decente conoscenza dell’argomento: perché nell’ambito degli studiosi sulla fusione nucleare è noto anche ai sassi che la tecnologia della NIF è sviluppata in ambito militare, ed ha come scopo principale e dichiarato lo studio delle esplosioni atomiche termonucleari, in vista dello sviluppo di ordigni termonucleari di nuova generazione – e poi “anche” la produzione di energia.

Ancora come la Pila di Fermi, che fu il prototipo dei reattori plutonigeni del progetto Manhattan per la bomba atomica a fissione: di produrre energia se ne parlò dopo un decennio passato a produrre il plutonio per le bombe atomiche.

I pericoli che possono derivare dal cammino verso la fusione concepito dal progetto NIF e dalla “fusione inerziale” sono enormi, ed è per quel motivo che il cuore di questa tecnologia è protetto da segreto militare, ed è sviluppato con fondi provenienti dal ramo “difesa” dell’industria nucleare statunitense sulla fusione.

Stupisce, per non dire atterrisce, il giubilo ed ‘il suon di man con elle’ che hanno salutato questo primo passo di una tecnologia verso lo sviluppo di nuovi ordigni termonucleari disponibili in larga scala e non disciplinati dal Trattato Internazionale di Non-Proliferazione Nucleare (TNP).

È oltremodo urgente che al riguardo si faccia chiarezza, e che questi progetti vengano sottratti, se possibile, al controllo di una sola Nazione, ma siano invece sviluppati dalla Comunità Internazionale, come i progetti sull’altro “tipo” di fusione, la fusione magnetica, come ad esempio il progetto ITER.

È altrettanto urgente che il TNP, datato 1968, venga aggiornato per includere queste nuove tecnologie fra quelle da sorvegliare per impedire la proliferazione della disponibilità di ordigni atomici a molti Stati che non li devono possedere, oltre che impedire un rifiorire di attività di ricerca e sviluppo del nucleare militare negli USA e negli altri paesi “atomici militari”, dopo che la moratoria di fatto sui test di bombe atomiche ha praticamente fermato lo sviluppo di questi ordigni a partire dagli anni '70.

Se saranno realizzate queste due premesse, allora si potrà più serenamente studiare il comportamento di un “burning plasma”, un plasma ignito e autosufficiente come quello ottenuto dal NIF: è importante, perché è la prima volta che succede, fuori dal Sole o dalle bombe termonucleari, e non si sa bene, non del tutto, come un plasma del genere si comporti, quali saranno le leggi di trasporto che le particelle cariche seguiranno in un caso simile.

Quanto abbiamo affermato prima appare forse eccessivamente allarmistico ed anti-progresso, come succede a volte per i vecchi scienziati di fronte alle novità?

Non crediamo sia così: per questo si fa seguire qui sotto una analisi più dettagliata del problema in lingua inglese: nihil novum sub soli, essa è tratta e riassunta da un articolo scientifico pubblicato dalla scrivente addirittura nel lontano 2011.

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Implicazioni militari e di proliferazione nucleare della fusione a confinamento inerziale

Abstract. Viene effettuata un’analisi tecnica degli aspetti ambientali relativi alle implicazioni dei sistemi di fusione a confinamento inerziale (ICF) in termini di proliferazione delle armi nucleari, che convalida i principali punti tecnici e dimostra che il pieno accesso alla fisica delle armi termonucleari è la principale implicazione dell’ICF.

La fusione a confinamento magnetico (MCF) implica il pieno accesso alla tecnologia del trizio su larga scala come principale impatto sulla proliferazione, tuttavia mostra problemi di proliferazione inferiori rispetto all’ICF.

Introduzione

L’energia da fusione nucleare presenta chiari vantaggi rispetto all’energia da fissione nell’area dell’impatto ambientale e anche in quella più vicina della non proliferazione. Per non proliferazione intendiamo i requisiti del TNP (Trattato di Non Proliferazione) che, firmato nel 1968, limita il possesso di armi nucleari a 5 nazioni (USA, Russia, Gran Bretagna, Francia e Cina) e regola il flusso di materiali nucleari di potenziale interesse militare.

La fusione ha un basso impatto ambientale. Mentre le centrali a fissione producono combustibile esaurito con emivita di migliaia di anni, gli unici rifiuti radioattivi prodotti da una centrale a fusione sarebbero quelli del combustibile intermedio, il trizio, e la radioattività generata nei materiali strutturali.

La radioattività del trizio è di breve durata, con un tempo di dimezzamento di circa 12 anni, e se scelti in modo appropriato i materiali strutturali hanno un tempo di dimezzamento sufficientemente breve da non rappresentare un peso per le generazioni future.

La fusione è intrinsecamente più sicura della fissione in quanto non si basa su una massa critica di combustibile. Ciò significa che ci sono solo piccole quantità di combustibile nella zona di reazione, rendendo impossibile la liquefazione del nocciolo (meltdown, o “Sindrome cinese”).

Secondo gli statuti dell’AIEA (Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica), attualmente nessuno dei materiali disponibili in una centrale a fusione è classificato come importante per le salvaguardie nucleari o richiede i controlli del Trattato di Non Proliferazione.

Tuttavia, poiché i neutroni di fusione potrebbero essere utilizzati per generare materiale fissile, le centrali a fusione dovranno essere soggette a controlli di sicurezza internazionali. Tali salvaguardie sarebbero molto meno costose e più facili da applicare rispetto al caso della fissione, perché si cercherebbe materiale fissile o fertile in un ambiente in cui non dovrebbe essere presente, mentre si cercherebbero piccole discrepanze nei grandi inventari degli impianti di fissione.

Questo articolo contiene un’analisi delle implicazioni per la proliferazione delle armi nucleari dei sistemi di fusione a confinamento inerziale (ICF), mentre un’analisi più ampia e più estesa, e un confronto con quelli a confinamento magnetico (MCF), si trovano in questo articolo dell’autore:

1. M. Zucchetti, Proliferation Implications for Thermonuclear Fusion, Journal of Environmental Protection and Ecology 12, No 4A, 2071-2080 (2011)

Per riassumere in una frase, mentre il pieno accesso alla fisica delle armi termonucleari è l’implicazione principale dell’ICF, le implicazioni sulla proliferazione dei sistemi tokamak MCF sono largamente inferiori, anche se non trascurabili in linea di principio.

È molto importante che la tecnologia della fusione magnetica mostri il minor legame possibile con qualsiasi questione di proliferazione: questo deve essere visto come uno dei suoi obiettivi principali, uno dei suoi chiari vantaggi rispetto alla fusione inerziale e alla fissione. La MCF potrebbe essere l’unica tecnologia nucleare a non essere nata con il cosiddetto “peccato originale” dell’applicazione militare.

Molte tecnologie ausiliarie associate alla fusione termonucleare e ai fasci ad alta energia possono essere di importanza militare: generazione di radiofrequenze ad alta potenza per i radar e la guerra elettromagnetica; superconduttività e criogenia per le piattaforme militari nello spazio esterno; generazione di campi magnetici elevati per la compressione magnetica e gli esplosivi a fusione pura; tecnologia di potenza pulsata per la radiografia a raggi X flash e per i cannoni elettromagnetici; materiali e dispositivi elettronici a prova di calore e di forti irradiazioni per gli esplosivi convenzionali e nucleari; micro e nano-tecnologie per la produzione di massa di armi nucleari di quarta generazione, ecc.

Reattori a fusione e trizio

Nell’ultimo decennio si è diffusa la consapevolezza che lo sviluppo dei sistemi di fusione si accompagna alla diffusione delle conoscenze e dei materiali necessari per la produzione di armi termonucleari.

Questa consapevolezza è il risultato di una serie di sviluppi politici e tecnici che hanno spostato parte del dibattito sulla proliferazione delle armi nucleari dal suo focus tradizionale (ovvero il ciclo del combustibile nucleare da fissione e le relative tecnologie di arricchimento e ritrattamento) e hanno iniziato a mettere in evidenza i problemi militari associati ai sistemi di energia nucleare emergenti: sistemi di fusione per la produzione di energia e la simulazione di armi nucleari, concetti basati su acceleratori per l’amplificazione dell’energia e la produzione del trizio, tecnologie di energia pulsata per applicazioni civili e militari, ecc.

Le agenzie internazionali che regolano il flusso di materiali strategici si sono finora rifiutate di classificare il trizio come sostanza “salvaguardabile”, cioè come materiale rilevante per gli armamenti militari.

Il motivo apparente è che le armi nucleari possono essere fabbricate senza il trizio, e quindi non è un materiale strategico essenziale come lo sono il plutonio o l’uranio arricchito. Questo è vero solo dal punto di vista tecnico, poiché tutte le armi nucleari prodotte dagli Stati dotati di armi nucleari utilizzano quasi certamente il trizio. Pochi grammi di trizio sono sufficienti per “potenziare” bombe composte da pochi chilogrammi di plutonio militare – o da reattore – rendendole più piccole e più leggere dei progetti convenzionali e trasportabili con missili anziché con aerei bombardieri.

Le bombe “potenziate” contengono solo 4 kg di plutonio o 12 kg di uranio altamente arricchito, pesano meno di 100 kg e hanno un diametro di circa 30 cm. Le bombe “potenziate” possono essere percepite come “facili da usare”, poiché la possibilità di un’esplosione nucleare accidentale è considerata quasi impossibile.

Nello stoccaggio, il gas deuterio-trizio è contenuto in un serbatoio separato al di fuori del nocciolo, nel caso in cui si verificasse un’esplosione accidentale dei componenti chimici dell’esplosivo, le quantità relativamente piccole di plutonio o uranio coinvolte non sarebbero sufficienti per un’esplosione nucleare completa.

Ciò significa che il plutonio da reattore, relativamente instabile e incline alla fissione spontanea, potrebbe essere utilizzato, con un rischio significativamente ridotto date le piccole quantità di materiale necessarie in una bomba “potenziata”. Il “boosting” è essenzialmente utilizzato in tutte le armi nucleari moderne. Lo sviluppo di bombe “potenziate” conferma quindi l’importanza del trizio per la questione della non proliferazione delle armi a fissione.

I reattori a fusione sperimentali, così come la realizzazione di reattori a fusione su scala commerciale, pongono il problema della proliferazione del trizio, perché il loro funzionamento implica l’uso di chilogrammi di trizio.

Una volta operativo, l’inventario di trizio di ITER (The Interna- tional Tokamak Experimental Reactor in costruzione in Francia) sarà di circa 2-3 kg: infatti, all’interno dell’impianto di trizio di ITER, un inventario totale di tale quantità sarà necessario per far funzionare la macchina nella fase DT.

Durante il funzionamento del plasma, il trizio sarà distribuito nei diversi sottosistemi del ciclo del combustibile. Attualmente, la quantità totale di trizio nelle scorte di armi degli Stati Uniti è di circa 100 kg, una media di 10 g di trizio per testata: quindi l’inventario di trizio in ITER sarebbe sufficiente, in teoria, per potenziare molte armi nucleari.

Un programma di reattori a fusione fornisce una giustificazione non militare per l’acquisizione di una tecnologia del trizio su scala industriale. Con la costruzione di un grande reattore a fusione, la produzione di trizio su larga scala, in uno Stato non dotato di armi nucleari, diventa giustificata.

È relativamente più facile nascondere quantità significative di trizio che di plutonio e, dato che le quantità richieste sono più piccole (grammi anziché chilogrammi), molto meno radioattive e più difficili da rilevare, sarà necessario mettere in atto procedure efficaci per garantire la sicurezza del materiale.

Va sottolineato, d’altra parte, che le misure di sicurezza contro la diversione del trizio sono abbastanza facili da attuare nel caso di dispositivi a fusione nucleare. Il trizio sarà presente in quantità considerevoli solo in alcuni sistemi, come ad esempio i sistemi di purificazione, stoccaggio e iniezione del trizio.

Tuttavia, in ogni impianto di fusione esiste un sistema di monitoraggio continuo ed estremamente dettagliato del trizio. Le registrazioni di tali misurazioni possono essere facilmente tenute sotto controllo dall’autorità di ispezione.

Natura militare e di proliferazione della Fusione a Confinamento Inerziale (ICF)

Come è già stato spiegato, molte tecnologie relative all’energia termonucleare hanno potenziali importanti applicazioni militari in armi nucleari e non. Laser, acceleratori, dispositivi superconduttori, ecc. sono componenti chiave di nuovi tipi di armi non nucleari: armi laser e a fascio di particelle, cannoni elettro-magnetici, ecc.

Un chiaro esempio dell’ambivalenza della ricerca termonucleare con i laser ad alta energia è il progetto di utilizzare la tecnologia sviluppata per la National Ignition Facility (NIF) degli Stati Uniti per costruire un laser terrestre per eliminare i detriti spaziali vicini alla Terra: un simile dispositivo sarebbe anche un’efficace arma antisatellite.

I contributi più diretti dell’ICF alla proliferazione riguardano ovviamente la fisica e gli effetti delle armi termonucleari. L’ICF presenta rischi particolari di proliferazione verticale, come il rischio che possa contribuire allo sviluppo di armi nucleari avanzate. Se fosse disponibile un reattore, sarebbe possibile la produzione di plutonio o 233U, con conseguente necessità di controlli di sicurezza.

Dal background teorico dell’ICF si possono trarre insegnamenti sulla fisica del plasma ad alta energia, che potrebbero essere utili nella progettazione di codici informatici per la simulazione di esplosioni nucleari. Nel caso di un programma segreto di armi nucleari, gli esperti di teoria dell’ICF potrebbero svolgere un ruolo utile.

Altri concetti di fusione, come la fusione a confinamento magnetico, non presentano rischi simili. I grandi esperimenti ICF possono essere utilizzati per sostituire in una certa misura i test nucleari sotterranei, minando così la politica di contenimento della proliferazione verticale. Finché i progetti ICF si svolgeranno nell’ambito di una cooperazione internazionale, i loro obiettivi saranno civili e non di applicazione di armi nucleari, e il rischio di proliferazione verticale potrebbe essere ridotto in una certa misura.

Tuttavia, se una nazione porta avanti un proprio programma ICF, i rischi sono molto più elevati.

Nel 1997, in una revisione del programma ICF, la sezione relativa alla “rilevanza del National Ignition Facility (NIF) per la gestione delle scorte basata sulla scienza (SBSS)” evidenzia i seguenti punti:

– Garanzia della disponibilità di combustibile per le armi termonucleari;

– Convalida dei codici di calcolo e studio delle proprietà dei materiali;

– Accensione (ignizione) di un plasma.

1. Lo studio della combustione in presenza di miscela;

2. La diagnosi del plasma ICF;

3. Fenomeni di densità ad alta energia;

4. Prova di principio dell’energia di fusione inerziale (IFE).

Pertanto, l’enfasi principale è posta sulla sottolineatura dei potenziali benefici dell’ICF per il futuro dello sviluppo di armi nucleari.

I sistemi ICF consentono di studiare gli effetti nucleari e non nucleari delle bombe termonucleari. Questi ultimi consistono negli effetti della detonazione a bassa e ad alta quota, singola o multipla, nell’atmosfera.

Tali studi consentono di prevedere gli effetti di esplosioni successive in un ambiente multi-burst, di valutare l’estensione spaziale e la durata delle interferenze nelle comunicazioni satellitari e di valutare gli effetti di schermatura radar che ostacolano la rilevazione di missioni secondarie13. Dal 1964, a causa del Trattato per la messa al bando parziale degli esperimenti nucleari (PTBT), questi problemi non possono essere studiati con esplosioni nucleari reali nell’atmosfera.

Dopo la scoperta del principio di Teller-Ulam e alcuni importanti miglioramenti negli anni ’60, il progresso delle armi termonucleari ha subito un forte rallentamento. Infatti, nonostante oltre 50 anni di ricerca e sviluppo, e dopo quasi 2000 esplosioni di prova, la comprensione scientifica dei dettagli del sistema secondario è ancora incompleta.

Uno dei problemi principali dei test su scala reale è che il secondario di una bomba vera e propria è sepolto in profondità all’interno dell’arma, circondato da uno spesso ablatore e dal contenitore delle radiazioni. Pertanto, la maggior parte dei dati sperimentali sulla parte termonucleare dell’esplosione è indiretta. In confronto, un pellet ICF è un secondario quasi nudo e molte configurazioni possono essere testate a piacere, con capacità diagnostiche molto migliori rispetto ai test nucleari sotterranei. La promessa dell’ICF è una descrizione completa della fisica delle armi termonucleari a partire dai principi primi.

La National Ignition Facility (NIF), completata nel 2009, è stata progettata per stabilire la fattibilità scientifica di esplosioni a fusione pura, cioè di armi nucleari di quarta generazione, senza plutonio o uranio.

In tali armi, i pellet di deuterio-trizio potrebbero essere fatti esplodere con i laser invece che con la reazione a catena convenzionale, che richiederà lo sviluppo di dispositivi laser ad alta energia molto più piccoli. Qualsiasi Paese che conosca la tecnologia ICF e laser potrebbe sviluppare un dispositivo di questo tipo. Le conseguenze intrinseche di un dispositivo a fusione pura vanno ben oltre il basso costo e la resa esplosiva notevolmente ridotta.

La cosa più significativa è che le testate a fusione pura, a differenza di quelle che utilizzano materiale fissile, non sono ancora coperte dal Trattato di non proliferazione nucleare (TNP).

In termini di diritto internazionale, qualsiasi Paese può legalmente possedere e persino vendere tali armi senza violare il TNP. Inoltre, il combustibile deuterio-trizio può essere acquistato apertamente sul mercato internazionale. Lo spirito del TNP può essere violato, ma non la lettera.

Inoltre, poiché non c’è alcun componente fissile e la resa esplosiva è così piccola, i test operativi completi di un dispositivo a fusione pura potrebbero essere condotti in qualsiasi Paese e non essere rilevati dai sistemi di monitoraggio dei test sulle armi nucleari. Se i test fossero condotti nel sottosuolo a una profondità moderata, ad esempio da 50 a 100 metri, anche gli abitanti locali non sospetterebbero nulla.

Ad esempio, gli esperimenti sul NIF potrebbero essere utilizzati per progettare bersagli ottimali per esperimenti che utilizzano condensatori ad alta energia o driver che utilizzano combinazioni di sostanze chimiche ed energia elettromagnetica che possono essere resi abbastanza compatti per le armi. Gli esperimenti con questi tipi di dispositivi potrebbero rappresentare un progresso significativo verso la progettazione di armi a fusione pura.

La complessità degli esperimenti sui bersagli ICF richiede che vengano analizzati simulando l’esperimento con codici bidimensionali e tridimensionali. La verifica e il miglioramento dei codici di progettazione delle armi sono quindi parte integrante degli esperimenti ICF. Poiché la ricerca ICF viene svolta anche in Stati non dotati di armi nucleari, gli scienziati di questi Stati hanno sviluppato e pubblicato codici informatici molto sofisticati. Questi codici consentono, in particolare, di simulare la dinamica e la stabilità dell’implosione (di materiali passivi o nucleari) guidata da raggi X, fasci ad alta energia o altri tipi di motori: alti esplosivi chimici, campi magnetici, cannoni elettromagnetici, ecc.

L’ultimo punto sottolineato nella valutazione dell’ICF del 1997, l’accensione, si riferisce al fatto che i processi macroscopici come l’accensione del plasma termonucleare non sono ancora ben compresi. Speciali bersagli ICF che assorbono l’energia del driver e la convertono in raggi X consentono di studiare direttamente la fisica dell’accensione della bomba H.

A prescindere dai dettagli, il successo dell’accensione di microesplosioni termonucleari in laboratorio aprirà la strada a due tipi di applicazioni che rimarranno sicuramente in ambito militare:

– Armi nucleari di quarta generazione.

– Energia da fusione inerziale. Il successo dell’accensione e una sufficiente riduzione di scala del driver fornirebbero un sostituto molto attraente per i numerosi reattori nucleari utilizzati dalle forze armate.

Gran parte di ciò che è stato detto sull’ICF nella sezione precedente non si applica all’MCF, poiché il funzionamento di un dispositivo MCF è caratterizzato da una densità di plasma molto minore (e da un tempo di combustione corrispondentemente molto più lungo) rispetto a un dispositivo ICF o a un’esplosione termonucleare. Per questo motivo, la fisica e la tecnologia dell’MCF sono meno strettamente legate alle armi termonucleari rispetto all’ICF.

Conclusioni

È stata tentata un’analisi sistematica delle implicazioni effettive e latenti dei sistemi di energia da fusione in materia di armi nucleari.

Lo sviluppo di sistemi energetici a fusione inerziale migliora la conoscenza della fisica delle armi termonucleari e dà impulso allo sviluppo di una serie di tecnologie che hanno soprattutto applicazioni militari.

Lo sviluppo di centrali a fusione DT, sia MCF che ICF, porrebbe problemi di non proliferazione perché in queste centrali verrebbero prodotte quantità molto elevate di trizio (dell’ordine dei chilogrammi).

I reattori a fusione che utilizzano la fusione DT genereranno abbondanti neutroni che potrebbero essere utilizzati per produrre materiale fissile di grado militare con modifiche relativamente piccole.

I problemi di abbondanza di neutroni e di proliferazione del trizio nei sistemi energetici a fusione potrebbero essere risolti adottando progetti innovativi di reattori e cicli di combustibile avanzati, basati sulla fusione nucleare Deuterio-Elio3, vedi ad esempio;

2. Massimo Zucchetti*, Raffaella Testoni, ENERGY: A STUDY FOR ADVANCED SOLUTIONS INCLUDING LOW-NEUTRON NUCLEAR FUSION, Bollettino Ambientale Fresenius, Volume 26 – No. 1/2017, pagine 75-79

Riferimenti

L’elenco completo dei riferimenti è disponibile nel documento in Rif. 1

Fonte