Fra 10 anni, a Cadarache, Francia, entrerà in funzione il reattore a fusione termonucleare, l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). I costi saranno coperti per metà dai Paesi europei, mentre l'altra metà sarà ripartita fra Stati Uniti, Russia, Cina, Giappone, India, Corea del Sud.

L'Italia svolgerà un ruolo di primo piano sia nello sviluppo della comprensione della fisica dei plasmi, sia nella progettazione del reattore ITER e dei suoi principali componenti, nonché della predisposizione di un impianto dove collaudare i materiali critici del futuro reattore.
Tre sono gli enti di ricerca italiani coinvolti nelle attività: l'Enea, il CNR e l'Istituto di Fisica Nucleare.
L'Istituto gas ionizzati del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Padova opera da diversi anni, in collaborazione con diversi laboratori internazionali, alla comprensione dei fenomeni di comportamento del plasma con risultati significativi. A Padova, infatti, è prevista la realizzazione del principale impianto sussidiario di ITER, il Neutral Beam Injector per sviluppare acceleratori di fasci di particelle idonei a produrre il riscaldamento iniziale e il controllo della corrente nel reattore. L'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare che ha sviluppato, nel laboratorio di Legnago (Padova) per la sperimentazione nel campo della fisica, degli acceleratori di particelle. Presso l'Istituto di fisica del plasma del CNR di Milano, in collaborazione con la Svizzera (a Ginevra verrà realizzato un impianto di prova), si compiono ricerche nel campo della tecnologia dei plasmi e della fusione termonucleare controllata con lo scopo di sviluppare una tecnica di riscaldamento a radiofrequenza per il reattore ITER.
L'accordo internazionale per la costruzione del grande reattore sperimentale, con lo scopo di produrre energia da fusione nucleare, è stato firmato a Parigi ed a Bruxelles è stato siglato l'accordo tra Europa e Giappone per la realizzazione di impianti complementari.
Il grande reattore a fusione nucleare consentirà di svolgere esperimenti per la produzione di plasmi con Deuterio e Trizio e parallelamente di sviluppare le nuove tecnologie necessarie per le centrali a fusione del futuro; quelle che forniranno fra 25 o 30 anni una nuova fonte energetica per l'umanità e ne cambieranno la storia.
Si tratta di un esperimento di fusione termonucleare controllata, basato sulla configurazione detta "tokamak" ⁽¹⁾, nel quale intensi campi magnetici controllano un plasma di forma toroidale.
L'ITER avrà dimensioni confrontabili con quelle di una comune centrale elettrica e produrrà circa 500 Megawatt di potenza orari, utilizzando pochi grammi di combustibile, Deuterio e Trizio, quest'ultimo ricavato all'interno del reattore dal Litio. Deuterio e Litio sono elementi abbondantissimi sulla Terra, disciolti nelle acque degli oceani o nelle rocce.
La fusione termonucleare controllata rappresenta la soluzione alterativa alla fissione nucleare ed è oggetto di lunghe ricerche e studi il cui obiettivo è riprodurre ciò che avviene nel Sole e nelle stelle; ha il compito di dimostrare che è scientificamente e tecnologicamente possibile l'utilizzo della fusione come fonte di energia.
L'impegno politico ed economico degli Stati rappresenta, come è stato detto, "un evento storico lungo il cammino per abbandonare l'era dei combustibili fossili inquinanti". Adesso tocca agli scienziati impegnarsi per permettere all'umanità di utilizzare in futuro una fonte "pulita", priva di emissioni inquinanti e inesauribile, in quanto un tale impianto può produrre un Gigawatt di elettricità al giorno da pochi chilogrammi di combustibile costituito da isotopi dell'idrogeno (deuterio e trizio) facilmente ricavabile dall'acqua di mare e dal litio, un metallo comune.
Il reattore a fusione ITER dovrebbe produrre energia in quantità da cinque a dieci volte superiore a quella necessaria per mantenere il plasma alla temperatura a cui avviene la fusione nucleare, questo superamento della soglia del bilancio energetico della fusione è un obiettivo primario fino ad ora non raggiunto e che è preliminare all'uso energetico della fusione.
L'ITER non è progettato per produrre direttamente energia elettrica, questo compito verrà assegnato al progetto successivo chiamato DEMO, nome del reattore a fusione attualmente in studio in Europa per generare energia elettrica tramite la reazione di fusione nucleare. Per ottenere la corrente elettrica il plasma prodotto con il procedimento di DEMO deve mantenere la stabilità della reazione di fusione per un tempo indeterminato di conseguenza richiede la presenza di un "blanket", cioè di un macchinario destinato a produrre trizio, che non si trova in natura, direttamente dal litio.
È previsto anche un progetto PROTO per la messa in opera del prototipo di centrale elettrica per produzione a titolo commerciale.

Lo sviluppo della civiltà il suo avanzamento tecnologico dipendono dal tipo di energia di cui può disporre dalla sua disponibilità, affidabilità e abbondanza.
La società attuale ne consuma enormi quantità per trasporti, il riscaldamento, l'illuminazione, l'industria e l'agricoltura e ricava tale energia attraverso l'uso di combustibili d'origine fossile, con la fissione nucleare, con l'energia idroelettrica. Da pochi anni vengono usate fonti rinnovabili quali l'eolica e le biomasse.
Nei prossimi anni è previsto un aumento esponenziale del fabbisogno mondiale in seguito all'aumento della popolazione e dei consumi. Inoltre i dati sull'ambiente e l'effetto serra rendono necessario l'utilizzo di fonti di energia pulita.
La scelta della fusione come fonte di energia sarà una realtà entro la metà del secolo e dovrebbe assumere un ruolo significativo nell'offrire una soluzione sostenibile e sicura in risposta al fabbisogno di energia dell'Europa e del mondo intero.

La fusione presenta alcuni vantaggi significativi per le considerazioni ambientali, operative e di sicurezza dato che il deuterio e litio sono abbondanti e si trovano praticamente ovunque sulla Terra; il residuo della fusione è l'elio. Come i combustibili di base, non è radioattivo; il combustibile intermedio (trizio) viene prodotto dal litio nel mantello del reattore. La produzione di energia di fusione non provocherà emissioni di gas a effetto serra.
Un reattore a fusione non ha reazioni a catena che possono fondere il nocciolo; in caso di incidente il peggiore isotopo che potrebbe essere messo in circolazione è il trizio, che decade in 12,3 anni; esperimenti di rilascio controllato di trizio nell'atmosfera hanno mostrato che l'attivazione del suolo nell'area contaminata scende in circa un anno al livello del background.
La radioattività prodotta all'interno della centrale avrà tempi di decadimento dell'ordine dei cento anni, contro le migliaia di anni delle scorie delle attuali centrali nucleari a fissione.
Gli attuali reattori a fissione consumano un grande quantitativo di uranio 235 che, quindi, potrebbe esaurirsi a breve (ai costi attuali, 40 anni, tuttavia quadruplicando il costo diverrebbe economica l'estrazione dall'acqua di mare, rendendo quindi la scorta praticamente illimitata) mentre i reattori a fusione consumano il litio e il deuterio presenti in grande quantità sulla Terra. Tuttavia il rapporto deuterio/idrogeno è di 1/5.000. Per estrarre un litro di acqua pesante bisogna processare cinquemila litri di acqua distillata.
Gli atomi degli elementi leggeri, come l'idrogeno, che si trovano al centro del Sole, in presenza di temperature di circa 15 milioni di gradi Celsius ed a pressioni anch'esse elevatissime, si scontrano e si fondono. Per via delle grandissime dimensioni del Sole, questo processo produce grandi quantità di energia.
Sulla Terra, gli scienziati hanno costruito apparati capaci di produrre temperature dieci volte più elevate di quelle presenti all'interno del Sole. In tal modo il ritmo con cui è prodotta l'energia di fusione giunge a livelli che ne rendono possibile l'uso come fonte energetica utilizzabile sulla Terra. Alle alte temperature gli atomi diventano completamente ionizzati, ossia gli elettroni e i nuclei atomici si separano, formando uno stato della materia noto come plasma. Per produrre energia il plasma deve essere contenuto e regolato mediante potenti campi magnetici, mentre viene riscaldato a temperature superiori ai 150 milioni di gradi Celsius.
La sfida consiste nell'utilizzare queste conoscenze scientifiche e tecnologiche per fornire una fonte di energia affidabile, sicura e rispettosa dell'ambiente e producibile in grandissima quantità.
Per contenere il plasma a 150 milioni di gradi Celsius necessario per produrre l'energia di fusione occorrono alcuni componenti fondamentali ad alto contenuto tecnologico come le bobine superconduttrici con cui vengono generati i campi elettromagnetici di grande intensità.
Tra gli altri sistemi necessari per il funzionamento continuo dei reattori a fusione vi sono impianti destinati ad estrarre le scorie di elio e le impurità dal plasma del reattore. Per la regolazione sicura e precisa del reattore, occorrono anche sistemi di rifornimento e sistemi stabili di diagnosi e regolazione.

Il progetto rappresenta anche un modello di cooperazione internazionale fra unità multi culturali e quindi di livello autenticamente mondiale.
Nella ricerca di documentazione sulla materia mi sono imbattuto su alcuni principi, noti come quelli di Daly e Costanza, che mi hanno posto un paio di domande. Secondo tali principi "le risorse naturali devono essere consumate ad una velocità non superiore a quella con cui la natura riesce a ripristinarle".

Dobbiamo smettere istantaneamente di usufruire del petrolio?
La produzione di beni e servizi non deve produrre residui, rifiuti, inquinanti che non possono essere assorbiti in tempi ragionevolmente brevi e non deve generare effetti di accumulo.

E le scorie radioattive che resteranno in attività per decine di migliaia di anni?
Dal punto di vista storico solo nel 1955 che gli USA pubblicarono le scoperte fatte in seguito agli studi condotti dopo la seconda guerra mondiale. Nel 1968 gli scienziati russi riscontrarono una temperatura degli elettroni di oltre 1000 Elettrovolt ⁽²⁾ in un tokamak. Inglesi ed americani, erano lontani da tali prestazioni finché i test furono effettuati con il laser, confermando la temperature effettivamente raggiunte dai russi. Da quel momento i test sulla fusione continuarono utilizzando il tokamak.
Per produrre la fusione occorre riscaldare gli isotopi di idrogeno (deuterio e trizio) a temperature molto alte ed il plasma di idrogeno così ottenuto deve essere contenuto mediante potenti campi magnetici. Le apparecchiature che finora sono meglio riuscite ad ottenere questo risultato sono i tokamak. Da quando è entrato in funzione, nel 1983, il tokamak JET si è affermato come il dispositivo sperimentale di maggior rilievo mondiale e si è prodotta energia di fusione con potenze che hanno raggiunto i 16 Megawatt per alcuni secondi. Risalendo indietro nel tempo e analizzando gli esperimenti di Jhon Worrell Keely si rileva un primo passo verso tale energia.

Nella seconda metà dell'ottocento Worrel Keely ⁽³⁾ inventò una serie di apparecchiature in grado di sollevare in aria gli oggetti e disintegrare la pietra utilizzando il suono prodotto da strumenti particolari.
Sfere di 900 grammi galleggiavano sulla superficie dell'acqua contenuta in un recipiente anche dopo che cessava il suono del corno. Solamente al suono di una nota diversa da quella iniziale le sfere affondavano nel liquido; con lo stesso sistema fluttuavano nell'aria.
Fra le sue apparecchiature il cosiddetto "liberatore" ⁽⁴⁾; un lungo filo composto da tre metalli: oro, platino e argento, era collegato ad un altro apparecchio, il "risonatore" ⁽⁵⁾, poggiato su di un altro tavolo a 90 centimetri dalla sfera. Keely inventò anche uno strumento che doveva divenire l'elemento principale di un nuovo motore meccanico: l'"arcolaio" ⁽⁶⁾.
Scrisse molti trattati, mai ritrovati, riguardanti le sue ricerche sull'acustica; del suo laboratorio non rimane niente, dato che i macchinari vennero trafugati da coloro che gli stavano vicino con la speranza di potersi arricchire. Alla sua morte scettici e giornalisti, che lo avevano denigrato in vita, esaminarono a fondo quel laboratorio trovando una sfera di tre tonnellate nella cantina, cinghie meccaniche, interruttori, un sistema idrico canalizzato, il tutto nascosto fra pareti, soffitti e pavimenti.
Fu tacciato di frode e boicottato pur dimostrando, nel 1874 a Filadelfia, ad un pubblico meravigliato che il suo generatore "eterico", era capace di trasformare cinque galloni di acqua in vapore e muovere l'ago del manometro per segnalare una pressione di 10.000 libbre per pollice quadrato; morì povero e dimenticato.
Tra i suoi studi l'uso del suono per ridurre la gravità, produrre una spinta per spostare un oggetto e fornire un nuovo mezzo di propulsione - di conseguenza il progetto di un motore acustico - l'uso della musica e del suono per curare e guarire problemi fisici e mentali e per disintegrare il quarzo.
Pur boicottato, alcuni dei suoi studi sembra siano stati presi sul serio per realizzare sistemi commerciali come la disintegrazione di massa con onde stazionarie, produrre energia immettendo suoni nei liquidi per ottenere l'emissione di luce - sono luminescenza - facendo implodere piccole bolle di deuterio nell'acqua o in altri liquidi quando questi sono eccitati da intense onde sonore di alta frequenza. Le bolle implodendo sotto l'emissione di onde sonore fondono i nuclei di idrogeno e producono una nuova fonte di energia.

Tenendo conto che la fusione termonucleare fornisce energia pulita a basso costo, l'energia di un grammo di deuterio, isotopo dell'idrogeno, equivale a quella sprigionata bruciando 7000 litri di benzina.
Il deuterio è reperibile nell'oceano e un chilometro cubico di mare assicura energia necessaria all'intero globo per centinaia di anni.
Oggi si conducono esperimenti usando laser potentissimi e campi magnetici per innescare la fusione del deuterio e gli altri isotopi dell'idrogeno: è la "sono fusione", un metodo di ricerca che deriva dalla sono luminescenza per generare una nuova fonte di energia.
Era questo il primo passo verso la fusione termonucleare?

Note:
1. "Tokamak" è l'acronimo di un nome russo che significa camera toroidale a bobine magnetiche, un apparato per contenere utilizzando campi magnetici plasma in configurazione toroidale; cioè in una superficie a forma di ciambella definita i gergo geometrico toro. Termine derivato a sua volta dalla parola latina "torus" con la quale veniva indicata una cosa a forma di ciambella. In un tokamak, di cui esistono molte varianti, viene effettuato il vuoto e immessa una piccolissima quantità di gas confinato in una regione toroidale della camera e compresso mediante campi magnetici di grande intensità. Il gas subisce una ionizzazione e diventare così plasma. Si studiano le reazioni di fusione termonucleare dei plasmi ricreando quanto avviene nelle stelle. La speranza è quella di ottenere l'ignizione del plasma, per poter estrarre un'energia completamente "pulita". Una macchina italiana che funziona secondo lo schema del Reversed Field Pinch è quella installata presso l'Istituto di Gas ionizzati del CNR di Padova e chiamata RFX in cui si studiano le proprietà dei plasmi di idrogeno. L'ignizione si verifica quando la sostanza combustibile raggiunge una certa temperatura; si applica in pratica il criterio dell'ingegnere fisico John Lawson che contempla l'insieme di parametri per consentire ad un reattore a fusione di produrre più energia di quella assorbita allo scopo di mantenere attiva la reazione.
2. Un elettrovolt equivale a 11605 kelvin.
3. John Worrel Keely. Vedi: articolo "Frequenze".
4. Il liberatore era una grossa sfera di rame di trenta centimetri di diametro, bloccata da un sostegno verticale con al suo interno una serie di piatti metallici e tubi risonanti. Al disotto una serie di aculei di metallo che pizzicati emettevano un suono simile al diapason.
5. Il risonatore era composto da un cilindro metallico di quindici centimetri di diametro, alto venti, costituito da tubi metallici verticali, sui quali si trovava una coppa di ottone e vetro, al cui interno si trovava una bussola con l'ago verso il Nord magnetico. Gli aculei sollecitati producevano una nota che veniva regolata sul giusto tono, poi l'inventore suonava una tromba e l'ago della bussola ruotava come impazzito.
6. L'arcolaio era composta da centinaia di sfere, tamburi e ruote, che producevano una potenza inaudita che impressionava le persone che assistevano ai suoi esperimenti.

a cura di Mauro Paoletti