Scritto da Antonio Francesco Di Lauro
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La crescente domanda globale di energia impone la ricerca di soluzioni capaci di garantire sicurezza, sostenibilità e accessibilità. Tra le tecnologie che potrebbero contribuire a questa sfida, la fusione nucleare occupa un posto di primo piano: promettente ma ancora poco conosciuta, è spesso oggetto di rappresentazioni fuorvianti.
Per fare chiarezza sul suo reale potenziale e sullo stato dell’arte della ricerca, abbiamo intervistato Matteo Gambrioli, ricercatore presso l’Università della Tuscia e coinvolto nelle campagne sperimentali dei principali progetti europei dedicati alla fusione nucleare. L’intervista è stata realizzata nell’ambito di PescaraScienza, il festival della ricerca e della divulgazione scientifica organizzato da ScienzAperta ETS, giunto alla sua seconda edizione.
Come si può spiegare il meccanismo di funzionamento della fusione nucleare? Quali vantaggi concreti offre rispetto alla fissione o ad altre forme di produzione di energia?
Matteo Gambrioli: La fusione è il processo in cui due nuclei leggeri si uniscono per formarne uno più pesante. Sulla Terra, precisamente, la reazione che vorremmo sfruttare è la fusione dell’idrogeno nelle sue due forme isotopiche: il deuterio e il trizio. Se la confrontiamo con i processi chimici con cui interagiamo ogni giorno, come la combustione o l’ossidazione, notiamo una differenza straordinaria: mentre in quei processi viene rilasciata un’energia pari a qualche decina di elettronvolt per reazione, ogni singola reazione di fusione libera circa 17 milioni di elettronvolt. Ma non si tratta dell’unico vantaggio. Sia la fusione che la fissione – il processo in un certo senso inverso, in cui un atomo pesante viene scisso in frammenti più piccoli sprigionando energia – condividono un obiettivo fondamentale, ovvero contribuire alla decarbonizzazione delle fonti energetiche. Tuttavia, mentre la fissione produce isotopi radioattivi che possono emettere radiazioni ionizzanti per tempi molto lunghi, anche decine o centinaia di migliaia di anni, nella fusione i sottoprodotti non sono radioattivi, il che rappresenta un enorme vantaggio in termini di radioprotezione e di sicurezza. Per quanto riguarda il combustibile della fusione, il deuterio è presente naturalmente nell’acqua, mentre il trizio può essere prodotto utilizzando il litio. Poiché sia l’acqua che il litio sono risorse abbondanti sul nostro pianeta, la fusione dispone di riserve di combustibile diffuse e disponibili in grandi quantità.
Quali sono attualmente i principali ostacoli che si frappongono alla realizzazione di centrali a fusione?
Matteo Gambrioli: Nonostante il suo enorme potenziale, la fusione nucleare deve ancora superare importanti sfide tecnologiche. Tra queste vi sono il raggiungimento e il mantenimento delle altissime temperature necessarie alla reazione – circa 150 milioni di gradi Celsius –; il confinamento stabile del plasma, ovvero la miscela di deuterio e trizio; la resistenza dei materiali al flusso neutronico e la produzione del trizio necessario come combustibile. Un concetto fondamentale in questo ambito è quello di ignizione, ovvero la condizione in cui le reazioni liberano abbastanza energia da innescare spontaneamente nuovi processi di fusione. Raggiungere l’ignizione è estremamente complicato, perché il plasma è irrequieto e le perdite di energia sono tali da non riuscire sempre a mantenere le condizioni necessarie. Paradossalmente, però, è proprio questo il motivo per cui la fusione è intrinsecamente sicura. Al contrario della fissione, dove possono innescarsi reazioni a catena difficili da interrompere, nella fusione, se le condizioni non sono ottimali, il reattore semplicemente si spegne. Oltre alle sfide tecniche, esistono poi anche barriere culturali significative. Sia la fusione sia la fissione contengono la parola “nucleare”, un’associazione che spesso porta l’opinione pubblica e gli esponenti politici a considerarle la stessa cosa. Ciò può tradursi in procedure regolatorie particolarmente rigorose che, in alcuni casi, rischiano di rallentare lo sviluppo della ricerca. Sebbene sia giusto garantire elevati standard di sicurezza, a mio avviso, la comunità scientifica della fusione dovrebbe poter beneficiare di norme differenti rispetto a quelle previste per la fissione, cosa che purtroppo non sempre accade. È comprensibile che la parola “nucleare” evochi traumi collettivi ben noti; per questa ragione c’è ancora molto lavoro da fare sul piano della comunicazione, per spiegare che si tratta di due processi distinti, con vantaggi e limiti propri, e che generalizzare non aiuta né il progresso della ricerca né il dibattito pubblico.
A Cadarache, nel sud della Francia, è situato il più grande reattore a fusione mai costruito, frutto della collaborazione delle principali potenze mondiali: ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Qual è il suo funzionamento e in che modo riesce a garantirsi un coinvolgimento diretto così trasversale?
Matteo Gambrioli: ITER è il più grande esperimento del suo genere e mira anzitutto a dimostrare la fattibilità scientifica della fusione come fonte energetica. Le prime visioni del progetto prevedevano una macchina capace di raggiungere l’ignizione. Nel corso degli anni, tuttavia, il progetto è stato ridimensionato per tenere conto di vincoli economici, tecnologici e delle esigenze dei numerosi Paesi coinvolti nella collaborazione internazionale. Attualmente ITER punta a produrre dieci volte l’energia utilizzata per riscaldare il plasma tramite i processi di fusione, raggiungibile nel cosiddetto baseline scenario. È importante precisare, però, che ITER non sarà collegato alla rete elettrica e non produrrà energia elettrica netta. Il rapporto di dieci si riferisce esclusivamente all’energia di riscaldamento del plasma, non all’energia totale assorbita dall’impianto per il suo funzionamento.
Un altro aspetto particolarmente importante riguarda il trizio, uno dei combustibili utilizzati nelle reazioni di fusione. ITER ospiterà sistemi sperimentali destinati a verificare la possibilità di produrlo in abbondanza a partire dal litio mediante l’interazione con i neutroni generati dalla fusione stessa. Allo stesso tempo, ITER rappresenta un esempio virtuoso anche dal punto di vista della collaborazione internazionale, coinvolgendo Unione Europea, Stati Uniti, Cina, Regno Unito, Russia, India, Giappone e Corea del Sud. Si è scelto di distribuire tra i Paesi partecipanti gli incarichi per la realizzazione delle singole componenti, così da condividere anche il know-how necessario a costruire un reattore a fusione. Questa collaborazione non impedisce naturalmente a ciascun Paese di investire parallelamente nel proprio programma nazionale di ricerca sulla fusione. Ogni Paese, quindi, potrà beneficiare delle competenze sviluppate sia collettivamente sia individualmente. Va però sottolineato che questa distribuzione di responsabilità ha rallentato in alcune fasi l’avanzamento del progetto, poiché l’interazione tra nazioni diverse non è sempre semplice e immediata. La cooperazione internazionale rappresenta quindi al tempo stesso uno dei principali punti di forza di ITER e una delle sue maggiori sfide organizzative.
Qual è la road map che porta da ITER alla produzione di energia da fusione su larga scala?
Matteo Gambrioli: La tabella di marcia originaria per ITER prevedeva il raggiungimento del first plasma nel 2025 e l’avvio delle operazioni con combustibile deuterio-trizio intorno al 2035. Tuttavia, i ritardi accumulati durante la costruzione e l’assemblaggio della macchina hanno portato a una revisione del calendario. Secondo le più recenti stime, le prime operazioni scientifiche sono ora previste per il 2034, e l’inizio della fase deuterio-trizio per il 2039. L’accumulo di ritardi è riconducibile essenzialmente a tre cause. La prima riguarda la camera da vuoto, la struttura metallica toroidale all’interno della quale il plasma viene sospeso dai campi magnetici. Date le sue dimensioni, è stata realizzata in sezioni distribuite tra i Paesi partecipanti; al momento dell’assemblaggio, tuttavia, sono emersi problemi di allineamento tra i diversi componenti. La seconda causa, più grave, ha interessato lo scudo termico. Tra la camera da vuoto – che ospita un plasma a centinaia di milioni di gradi – e i magneti superconduttori, che devono essere mantenuti a temperature criogeniche, è interposto uno scudo termico raffreddato attivamente per gestire l’enorme gradiente termico. Nelle tubature di raffreddamento sono state rilevate microfratture che hanno reso necessari interventi correttivi significativi, causando il ritardo più consistente. La terza causa è la pandemia da Covid-19, che ha rallentato, come in molti altri ambiti della ricerca scientifica, anche i lavori su ITER. Se la fattibilità scientifica della fusione verrà dimostrata, il passo successivo previsto a livello europeo sarà la costruzione di DEMO, un reattore dimostrativo in grado di produrre fino a duemila megawatt di potenza di fusione. Superata anche questa fase, l’obiettivo è replicare il modello su scala più ampia. Per DEMO le stime più ottimistiche indicano un orizzonte tra il 2050 e il 2060, con un possibile sfruttamento su larga scala della fusione ipotizzabile entro la fine di questo secolo.
Qual è oggi il peso reale dell’Italia in questo settore?
Matteo Gambrioli: L’Italia contribuisce a ITER su più fronti. A Padova, presso il consorzio RFX (Reversed Field pinch eXperiment), è in costruzione il sistema di riscaldamento di ITER in scala 1:1. Parallelamente, entrerà in funzione sul territorio nazionale un’altra macchina chiamata DTT – acronimo di Divertor Tokamak Test – situata a Frascati, nel Lazio. Il suo obiettivo è studiare lo scarico termico; parte del calore prodotto dalla fusione non può essere confinato all’interno della macchina e viene depositato in una regione specifica, il divertore, che deve essere in grado di resistere a flussi di calore molto intensi. DTT è progettato per studiare configurazioni avanzate di gestione del flusso di calore. Più in generale, l’Italia ha un ruolo di primo piano nella ricerca sulla fusione, forte di una lunga esperienza nel confinamento magnetico ed è anche per questo che le è stato affidato un compito così rilevante. La realizzazione di DTT rappresenta infatti, il più grande singolo esperimento mai finanziato dalla Banca Europea per gli Investimenti (BEI) nel settore della ricerca sulla fusione nucleare.
Quali altri Paesi stanno progredendo più rapidamente nella ricerca sulla fusione?
Matteo Gambrioli: Sul piano internazionale, la Cina ha registrato negli ultimi decenni una crescita molto intensa in questo settore, con la costruzione di numerose macchine sia in ambito pubblico che privato, ingenti finanziamenti e un’ampia forza lavoro dedicata. Più di recente, ha aperto le proprie collaborazioni verso l’Europa attraverso accordi con EUROfusion, l’ente che coordina la ricerca sulla fusione a livello europeo. Molti ricercatori italiani ed europei che hanno visitato le strutture cinesi ne sono tornati con un’impressione molto positiva, colpiti in particolare dalla rapidità con cui vengono portati avanti i programmi. In effetti, un elemento di criticità nella ricerca sulla fusione rimane proprio la lentezza nella costruzione degli esperimenti, determinata da una serie di fattori, tra cui requisiti di sicurezza, complessità ingegneristica e la profondità degli studi preliminari necessari.
Come si stanno integrando intelligenza artificiale e ricerca sulla fusione?
Matteo Gambrioli: Negli ultimi anni la ricerca sulla fusione ha intercettato numerose applicazioni dell’intelligenza artificiale, sia per migliorare l’efficienza di calcoli e stime già consolidati, sia per affrontare problemi per i quali i metodi tradizionali non offrivano risposte adeguate. Gli esempi più significativi in tal senso sono tre. Il primo riguarda la predizione delle disruzioni, un fenomeno in cui il plasma perde rapidamente la propria energia. Non si tratta di un evento pericoloso per gli addetti ai lavori, ma comporta costi elevatissimi in termini di sostituzione delle componenti della macchina. In questo contesto, l’intelligenza artificiale ci sta aiutando a sviluppare modelli che, elaborando i grandi volumi di dati prodotti dagli esperimenti, restituiscono in tempo reale la probabilità che un evento di questo tipo sia imminente, consentendoci di ridurre l’energia del plasma o di ripristinare i parametri nominali del reattore prima che il danno si verifichi. ITER, per il quale abbiamo atteso decenni, potrà resistere a un numero molto limitato di disruzioni a piena potenza; pertanto, preservare l’integrità della macchina è una priorità assoluta. Il secondo esempio è quello dei gemelli digitali, nonché simulazioni fedeli del comportamento del plasma all’interno dei reattori. Questi strumenti permettono di testare configurazioni avanzate e ridurre i costi di sperimentazione, con un accordo tra simulazione e dati sperimentali sempre più accurato. Il terzo esempio è il lavoro condotto da Google DeepMind in collaborazione con lo Swiss Plasma Center del Politecnico di Losanna, uno degli enti storici della ricerca sulla fusione. I ricercatori hanno dimostrato la possibilità di controllare la posizione e la forma del plasma attraverso algoritmi di Reinforcement Learning – una tecnica in cui il modello viene addestrato tramite un sistema di premi e penalità, imparando le operazioni di controllo desiderate. I risultati ottenuti sull’esperimento tokamak TCV di Losanna sono stati pubblicati nel febbraio 2022 sulla rivista Nature, in un articolo intitolato Magnetic control of tokamak plasmas through deep reinforcement learning, firmato da Jonas Degrave, Federico Felici e altri colleghi dei due istituti. Si tratta di uno dei sistemi reali più complessi a cui il Reinforcement Learning sia mai stato applicato, e di un esempio particolarmente significativo di come l’intelligenza artificiale stia trasformandola ricerca sulla fusione.
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