Avanti con la ricerca sul nucleare, senza illusioni

Grazie ai positivi risultati ottenuti dai ricercatori, anche italiani, sul super magnete del Commonwealth Fusion System del Mit di Boston, avvenuto il 5 settembre scorso, e sul controllo del plasma, ovvero del flusso di energia che un giorno permetterà la fusione nucleare, si è accesa nuovamente l'attenzione su questa tecnologia. Stiamo però vivendo un momento di ricerca spasmodica di fonti d'energia pulita e ogni piccola notizia viene spesso esaltata dando un'idea finanche distorta della realtà.

Ci sono diversi aspetti interessanti e poco conosciuti sulla fusione nucleare, ma oggi il più importante è comprendere che per produrre energia è necessario che qualsiasi macchinario usato, nel nostro caso un reattore, ne produca più di quanta ne utilizzi. I tecnici quantificano questa differenza di energia con il termine "guadagno", ovvero il rapporto tra ciò che esce e sarà sfruttato per riscaldamento ed energia elettrica su ciò che entra, ovvero il carburante utilizzato per la reazione. Questo valore normalmente è indicato dal termine Q. In questo modo è elementare comprendere che se Q è maggiore di 1 sarà stata creata dell'energia utilizzabile, e infatti 1 è definito anche punto di pareggio, in inglese "Break-even".

Questo valore non è stato ancora raggiunto, ma ci stiamo avvicinando a superare Q = 0,7, ossia il sistema produce il 70% del totale dell'energia che consuma per funzionare. Lo hanno fatto gli americani presso il National Ignition Facility di Livermore, California. Il record precedente era Q = 0,67, stabilito nel 1997 dal Joint European Torus, in breve Jet. Quasi 25 anni per guadagnare lo 0,03% in più potrebbe sembrare un fallimento, ma vero è che nella storia dell'energetica accadde lo stesso con i primi motori a vapore e con quelli endotermici. Oggi l'esperimento di fusione nucleare più importante attualmente in costruzione è il programma Iter, che secondo gli studi teorici associati al progetto dovrebbe portare Q quasi a 10. E in particolare si pensa che con una potenza di ingresso di 50 megawatt se ne potranno quindi sfruttare 500 entro il 2025.

A piccoli ed essenziali passi verso il traguardo

Questo potrebbe far pensare che siamo ormai vicini a una fusione nucleare controllata e sfruttabile, ma non è ancora così. La fusione nucleare è il processo attraverso il quale il sole crea energia e lo fa utilizzando le forze che possiede, quindi calore e la sua enorme massa che genera forza gravitazionale, ovvero che attira a sé altri corpi. Un meccanismo che sulla Terra non è possibile replicare, quindi gli scienziati hanno dovuto trovare un altro modo e questo è riscaldare il combustibile mediante fortissimi campi magnetici fino a farlo diventare ciò che viene definito "plasma" e che ha una temperatura di circa 150 milioni di gradi Kelvin. Altri sistemi, che non presentavano la difficoltà di dover controllare una materia tanto calda, non si sono rivelati come metodi praticabili, ed anche per generare un campo magnetico che riuscisse a controllare il plasma impedendogli di fondere ciò che lo contiene è stato molto complesso. C'è poi un altro motivo di confusione che trae in inganno chi legge pubblicazioni scientifiche: nella fusione nucleare il guadagno di energia che spesso viene citato è quello per l'energia che entra ed esce dal plasma. Nella letteratura tecnica questa quantità non è normalmente chiamata solo Q ma più specificatamente Qplasma. Non è, come dicevamo prima, il rapporto tra l'intera energia che esce dal reattore a fusione e quella che entra nel reattore, che volendo possiamo chiamare Qtotal e che se considerato come il rendimento di una centrale energetica è invece ciò che la renderà veramente efficiente alla comunità da servire, oppure inutile.

I reattori a fusione nucleare oggi richiedono molta energia per funzionare e la maggior parte di essa non va mai nel plasma ma nel sistema di controllo. Per tenere il plasma confinato nel vuoto mediante un campo magnetico occorre generarlo e mantenerlo, ovvero far funzionare magneti giganti che andranno anche raffreddati utilizzando ulteriore energia, e naturalmente mantenerli efficienti nel tempo facendo esperienza su qualcosa di nuovo e di ancora poco sperimentato, quindi imparando continuamente nuove cose.

Una volta generato il grande calore ottenuto grazie al Qplasma bisogna convertirlo in energia elettrica, scaldando acqua quindi ottenendo vapore che fa girare delle turbine, oppure in altri modi. E qui arriva la brutta notizia: l'efficienza di un tale sistema è considerata molto buona qualora raggiunga il 48-50%, praticamente perdendo la metà di quanto generato da tutto il reattore. Ecco quindi che cosa abbatte il Qtotale a livelli molto inferiori al Qplasma.

Fare confusione e confondere l'opinione pubblica è sbagliato, quando poi occorre passare alla politica le ragioni per le quali sia necessario investire tanto denaro è necessario non illudere: più soldi e più ricerca accorceranno i tempi ma non potranno accelerare la creazione di reattori puliti ed efficienti entro pochi anni. Non soltanto: per poter arrivare a un impiego della fusione nucleare il risultato cercato non può limitarsi al raggiungimento di prestazioni del Qplasma, ma serve lavorare contemporaneamente alla progettazione di turbine e generatori di corrente che alzino quel 48%. Il rischio ovviamente è arrivare a disporre di reattori efficienti ma fini a loro stessi perché energivori e non energetici. Se applichiamo questo ragionamento al reattore Iter è evidente che nel migliore dei casi usando i 50 megawatt di energia per metterlo in moto, dei 500 megawatt ottenuti soltanto 250 saranno effettivamente spendibili nella distribuzione dell'energia elettrica, e sommando anche i megawatt che sono necessari per mantenere acceso il sistema il Qtotale precipiterà a circa 0,58.

Dunque anche nel caso del reattore Jet, applicando le perdite per conversione in energia elettrica del calore, il tanto festeggiato 0,7 diventa 0,015. Il motivo è che usando il laser per ottenere il plasma, lo 0,7 è calcolato con l'energia che viene fornita al sistema, omettendo nel calcolo quella che serve per tener acceso il laser stesso.

Quindi un fallimento? Neppure per sogno! Occorre investire sempre nella ricerca di maggiore efficienza del reattore a fusione, ma altrettanto è necessario fare nel campo della gasdinamica, la specialità scientifica che ci permette di aumentare anche il rendimento delle macchine che convertono calore in energia elettrica. A quel punto anche un reattore a fusione giudicato mediocre dal punto di vista del Q potrebbe tornare utile alla comunità che lo ospita. E dimostrare di essere più pulito e sicuro dei suoi fratelli a fissione. Ci vorranno 20 anni, probabilmente, ma fermandoci e togliendo risorse potrebbero volercene 50. Ma stavolta se vogliamo attuare la conversione a fonti non inquinanti non li abbiamo.