I processi di fusione sono la sorgente d'energia all'interno del Sole e delle stelle. Per ottenere energia sulla Terra dalle reazioni di fusione, il plasma (un gas completamente ionizzato) deve raggiungere temperature molto elevate.

Ogni valutazione appropriata del progresso della fisica dei plasmi ad alta temperatura non può che iniziare con il tokamak europeo JET (Joint European Torus), in funzione a Culham (Regno Unito). Questo impianto a fusione non solo è il più grande esistente al mondo capace di lavorare con miscele di deuterio e trizio ma ha raggiunto, o oltrepassato, tutti gli obiettivi scientifici prefissati conseguendo, nel 1997, il record mondiale di 16 MW di produzione di potenza da fusione, un risultato tuttora imbattuto.

Le due figure che seguono permettono di riassumere il progresso della ricerca scientifica non solo nel campo della fisica dei plasmi ma anche verso la realizzazione della fusione come fonte di energia.
Il JET è ideale per compiere prove sui materiali da utilizzare a contatto con il plasma così come per i sistemi di riscaldamento e le diagnostiche in condizioni di lavoro prossime a quelle di un futuro reattore. Naturalmente JET è solo uno dei molteplici esperimenti nel mondo in cui fisici e ingegneri tentano di produrre, confinare e caratterizzare il plasma a temperature di centinaia di milioni di gradi.

In figura 1 è riportato il confronto tra le performance di JET e della macchina statunitense TFTR. Va notato che questo grafico mostra i migliori risultati a livello mondiale ottenuti con la miscela DT (Deuterio-Trizio), il che esclude tokamak di punta quali il giapponese JT60. È comunque interessante notare che ai fini dello sviluppo della futura centrale a fusione, insieme ai valori dei picchi di potenza, è importante la curva del JET che mostra la capacità di mantenere un determinato valore di potenza per un tempo abbastanza lungo.

Figura 1. Risultati fondamentali in termini di potenza di fusione prodotta (MW) in funzione del tempo (s).

In figura 2 è invece rappresentato il progresso della fisica del plasma attraverso i principali risultati ottenuti nelle macchine a fusione nel mondo di tipo tokamak e rappresentata utilizzando il fattore di merito Q (si noti che i valori ottenuti con la miscela DT mostrano nuovamente che il JET è la macchina di riferimento per la fusione). Per spiegare il significato di Q è utile un breve passo indietro riguardante la produzione di energia da fusione.

I nuclei di elio ad alta energia (particelle alfa), generati dalle reazioni di fusione D-T, entrano in collisione con altre particelle e riscaldano il plasma. I neutroni liberati nella reazione escono dal plasma e rallentano nel mantello situato attorno al plasma stesso. Il litio presente nel mantello viene trasformato in trizio e il calore generato dai neutroni può essere usato per produrre il vapore che aziona le turbine per la produzione di elettricità. Quando tutte le perdite nel plasma sono controbilanciate dal riscaldamento prodotto dalle particelle alfa e non si ha più bisogno di immettere potenza esterna, il plasma ha raggiunto la condizione in cui la reazione si auto-sostiene e richiede essenzialmente solo l'introduzione continua di combustibile.

Il valore di merito Q (il fattore di amplificazione della potenza) è usato per definire il rendimento in una macchina a fusione ed è definito come segue:

Q = (Potenza generata dalle reazioni di fusione) / (Potenza iniettata nel plasma)

Il JET, con la miscela DT, ha prodotto una potenza di fusione di 16 MW con un valore di Q = 0,65: questi risultati mostrano nuovamente che il JET è la macchina di riferimento per la fusione. Gli eccezionali risultati scientifici ottenuti e l'esperienza accumulata nella gestione comunitaria dell'esperimento JET, permettono quindi all'Europa di giocare un ruolo chiave nel grande progetto ITER, finanziato internazionalmente, che si propone di produrre 400 MW di potenza dalle reazioni di fusione.

La macchina ITER mira a raggiungere Q = 10, mentre i futuri reattori a fusione potranno avere Q = 40 - 50. Nell'ambito delle attività di ricerca gli studi sulla fusione in Italia occupano un posto di rilievo con un significativo investimento in termine di risorse umane e finanziarie.

Figura 2. Progresso della ricerca nel campo della fusione a livello mondiale.

Come detto, i risultati presentati sono stati ottenuti su macchine tokamak. In Europa e nel mondo si studiano, inoltre, una variante compatta del tokamak di forma sferica, la strizione a campo rovesciato (Reversed Field Pinch, RFP) e lo stellarator, una configurazione con il campo magnetico di forma elicoidale. Il più grande impianto in costruzione in Europa è lo stellarator W7-X a Greifswald (Germania). Per ulteriori informazioni su queste macchine si consiglia di visitare il sito web http://europa.eu.int/comm/research/energy/index_en.htm.

ITER, la strada verso la fusione

ITER è la prossima pietra miliare nello sviluppo di un reattore a fusione. Alla base del progetto ITER c'è una prestigiosa collaborazione internazionale. Fisici del plasma e ingegneri di tutto il mondo hanno completato la sua progettazione nel 2001 e preparano adesso la fase di attuazione.
L'obiettivo programmatico globale di ITER è dimostrare la fattibilità scientifica e tecnologica dell'energia di fusione usata per scopi pacifici. ITER raggiungerà questo obiettivo dimostrando il controllo della combustione di plasmi di deuterio-trizio, mirando al raggiungimento eventuale del regime stazionario, e il funzionamento, in un unico impianto, delle tecnologie essenziali per il futuro reattore.

ITER produrrà 400 MW di potenza da fusione per un tempo di 6 minuti, che potranno essere estesi, in una fase successiva, fino al regime stazionario. I costi di investimento di ITER ammontano a circa 4,5 miliardi di Euro (valori del 2000). Dal momento in cui i partners internazionali avranno raggiunto un accordo sul futuro del progetto, la costruzione di ITER richiederà circa 10 anni, dopodiché si svolgerà un programma sperimentale per un periodo di circa 20 anni.

ITER è basato sui traguardi scientifici raggiunti nelle macchine a fusione di tutto il mondo, in special modo del JET. Gli elementi di base della fisica di ITER sono stati dimostrati con successo negli esperimenti già effettuati su un ampio intervallo dei parametri del plasma. I regimi di plasma di ITER richiedono infatti una ragionevole estrapolazione di tali parametri.
La realizzazione della macchina ITER, e, in particolare, di alcuni componenti chiave, ha richiesto la messa a punto di tecnologie innovative, la cui fattibilità è stata dimostrata con la costruzione di prototipi nel corso delle attività di R&D condotte negli ultimi dieci anni.

Background estratto dal sito web dell'ENEA (http://www.fusione.enea.it).

La fusione termonucleare

La fusione termonucleare è la reazione nucleare che avviene nel Sole e nelle altre stelle con produzione di una enorme quantità di energia. Nella reazione di fusione nuclei di elementi leggeri, quali l'idrogeno, a temperature e pressioni elevate fondono formando nuclei di elementi più pesanti come l'elio. Sono noti tre isotopi dell'idrogeno: l'idrogeno propriamente detto (H), il deuterio (D) e il trizio (T). Il nucleo di tutti e tre contiene un protone, il che li caratterizza come forme dell'elemento idrogeno; il nucleo di deuterio contiene inoltre un neutrone mentre quello del trizio due neutroni. In tutti i casi, l'atomo neutro ha un elettrone al di fuori del nucleo per compensare la carica del singolo protone.

La reazione di fusione più probabile è quella che avviene tra un nucleo di deuterio e un nucleo di trizio, processo da cui si genera un nucleo di elio (particella alfa) e un neutrone. In questa reazione la massa complessiva dei prodotti è inferiore a quella delle particelle interagenti e si verifica liberazione di energia secondo il principio di equivalenza massa-energia. L'energia liberata si distribuisce tra la particella alfa e il neutrone in rapporto inverso alle rispettive masse.

I due nuclei interagiscono solo a distanze molto brevi, equivalenti alle dimensioni del nucleo (10^-13cm^-3); in questo caso le forze nucleari sono predominanti sulle forze di repulsione elettrostatica dovute alla carica positiva dei nuclei (forze che crescono all'avvicinarsi dei nuclei in proporzione inversa al quadrato della distanza). Perché due nuclei si avvicinino a distanze sufficientemente brevi è necessario che la velocità con cui si urtano sia molto alta; pertanto la loro energia cinetica (e quindi la temperatura) deve essere molto elevata. Per ottenere in laboratorio reazioni di fusione, ad esempio, è necessario portare una miscela di deuterio e trizio a temperature elevatissime (100 milioni di gradi) per tempi di confinamento sufficientemente lunghi. In tal modo i nuclei hanno tempo di fare molte collisioni, aumentando la probabilità di dar luogo a reazioni di fusione.

Le reazioni termonucleari nel Sole

A temperatura ordinaria, in un gas, le particelle sono neutre; viceversa a temperatura superiore a qualche eV, poichè le singole particelle tendono a dissociarsi negli elementi costitutivi (ioni ed elettroni) il gas si trasforma in una miscela di particelle cariche, cioè un plasma.
Il plasma costituisce il 99% della materia di cui è composto l'Universo e quindi è detto anche "quarto stato della materia". È perciò il principale costituente delle stelle e del Sole. Nel Sole, che ha una temperatura interna di 14 milioni di gradi, la reazione di fusione di nuclei di idrogeno (reazione protone-protone) è responsabile di gran parte dell'energia che giunge fino a noi sotto forma di calore e di luce (e di neutrini solari). Per ottenere la reazione di fusione il plasma di idrogeno deve esser confinato in uno spazio limitato: nel Sole questo si verifica a opera delle enormi forze gravitazionali in gioco. Inoltre, il processo di fusione, nel Sole, avviene con estrema lentezza, ragione per cui esso brilla da miliardi di anni.

Condizioni per la fusione termonucleare controllata

Per ottenere in laboratorio la fusione termonucleare controllata, con un bilancio energetico positivo, è necessario riscaldare un plasma di deuterio-trizio a temperature molto alte (100 milioni di gradi, più di sei volte la temperatura all'interno del Sole), mantenendolo confinato in uno spazio limitato per un tempo sufficiente a che l'energia liberata dalle reazioni di fusione possa compensare sia le perdite, sia l'energia usata per produrlo. Occorre cioè soddisfare le condizioni espresse dal Criterio di Lawson, condizioni che dipendono dalla temperatura del plasma.

Nel caso di un plasma di deuterio-trizio a 100 milioni di gradi (pari a circa 10 KeV di energia) a basso contenuto di impurità, il Criterio di Lawson afferma che il prodotto della densità di particelle del plasma per il tempo di confinamento deve esser maggiore di

3 x 10²⁰ m^-3 s.

A temperature così elevate il problema diventa come confinare il plasma in un recipiente.

In linea di principio il plasma costituito da particelle cariche (ioni di deuterio e trizio) può essere confinato mediante un campo magnetico: in assenza di questo campo le particelle si muoverebbero a caso in tutte le direzioni, urterebbero le pareti del recipiente e il plasma si raffredderebbe inibendo la reazione di fusione.
In un campo magnetico invece le particelle sono costrette a seguire traiettorie a spirale intorno alle linee di forza del campo restando imprigionate lontano dalle pareti del recipiente.

Confinamento magnetico del plasma

Nella fusione a confinamento magnetico il plasma ad alta temperatura è racchiuso in una camera a vuoto e una opportuna configurazione di campi magnetici esterni e/o prodotti da correnti circolanti nel plasma impedisce così il contatto con le pareti del recipiente. Sono state studiate, a questo proposito, diverse configurazioni magnetiche: configurazioni a specchio in cui le linee di forza del campo magnetico sono aperte alle estremità del plasma e configurazioni a simmetria toroidale (ad esempio stellarator, tokamak).

Quella che ha ottenuto finora i migliori risultati nella fusione a confinamento magnetico, è quella del tokamak. Il tokamak è un dispositivo di forma toroidale caratterizzato da un involucro cavo, costituente la "ciambella", in cui il plasma è confinato mediante un campo magnetico con linee di forza a spirale.

Questa configurazione magnetica è ottenuta mediante la combinazione di un intenso campo magnetico toroidale prodotto da bobine magnetiche poste intorno alla ciambella con un campo magnetico poloidale realizzato mediante la corrente indotta nel plasma dall'esterno, necessario quest'ultimo per evitare la deriva delle particelle del plasma verso le pareti del recipiente. Le particelle di plasma si avvitano così intorno alle linee di forza del campo.

Bobine supplementari esterne occorrono per realizzare campi magnetici ausiliari che controllano la posizione del plasma nella ciambella.

Riscaldamento del plasma

Essendo il plasma un conduttore elettrico è possibile riscaldarlo mediante una corrente indotta dall'esterno: il plasma nella ciambella si comporta così come una spira cortocircuitata che costituisce il secondario di un trasformatore il cui primario è all'esterno. La corrente indotta ha così il duplice scopo di creare il campo poloidale e di riscaldare il plasma a temperatura elevata.
Questo tipo di riscaldamento è detto riscaldamento ohmico o resistivo, obbedisce alla legge di Joule ed è analogo al riscaldamento di una lampadina o di una stufetta elettrica.

Un limite a detto riscaldamento ohmico è dato dal fatto che la resistività del plasma decresce al crescere della temperatura e la massima temperatura ottenibile nel plasma è di alcuni milioni di gradi.
Per raggiungere le temperature richieste per la fusione termonucleare è necessario, quindi, ricorrere al riscaldamento supplementare, che si può realizzare:

- per assorbimento nel plasma di onde elettromagnetiche, iniettate mediante guide d'onda o antenne che gli trasferiscono energia elettromagnetica;

- per iniezione di atomi neutri di elevata energia cinetica che attraversano il campo magnetico vengono ionizzati e trasferiscono per collisione la loro energia al plasma;

- per compressione adiabatica del plasma, ottenuta spostandolo verso regioni a campo magnetico più forte, con conseguente riscaldamento.

La configurazione tipo Tokamak è comunque particolarmente stabile e permette lunghi tempi di confinamento del plasma.

Condizioni per la realizzazione del reattore a fusione

Il cammino per arrivare alla realizzazione del reattore a fusione prevede il raggiungimento di alcuni obbiettivi fondamentali in sequenza:

1. il breakeven, in cui l'energia generata dalla fusione eguaglia quella immessa dall'esterno per mantenere il plasma a temperatura termonucleare. Il breakeven dimostra la fattibilità scientifica del reattore a fusione;

2. l'ignizione in cui si ha l'autosostentamento della reazione di fusione a opera dei nuclei di elio prodotti;

3. la fattibilità tecnologica quando il rendimento netto di tutto l'impianto è positivo

Nel futuro reattore a fusione la reazione dovrà infatti autosostenersi: si suppone cioè che le particelle alfa intrappolate nel volume di plasma cedano a esso la loro energia così da mantenerlo caldo dopo l'iniziale riscaldamento ottenuto con mezzi esterni. I neutroni trasferiscono intanto la loro energia al mantello del reattore, generando il trizio e tramutando energia in calore utilizzabile per produrre energia elettrica.

L'energia prodotta dalle reazioni di fusione si esplica sotto forma di energia cinetica (calore) dei prodotti della reazione, così:

- i neutroni, che trasportano circa l'80% dell'energia prodotta, abbandonano il plasma senza interazioni apprezzabili e vengono assorbiti dal mantello di litio, posto intorno al nocciolo del reattore e utilizzato per la rigenerazione del trizio. Il mantello di litio deve essere sufficientemente spesso (circa 1 m) per assorbire i neutroni di fusione (di 14 MeV). Essi vanno quindi a riscaldare un fluido e producono energia elettrica attraverso uno scambiatore di calore;

- i nuclei di elio, più pesanti, rimangono intrappolati nel plasma e trasferiscono a esso la loro energia, ottenendo così l'autosostentamento della reazione senza ulteriore riscaldamento dall'esterno.

Fonte delle figure: Commissione Europea