La sfida della fusione nucleare vede protagonista anche l’Italia

La fusione nucleare sta vivendo un momento particolare. Questa possibile fonte energetica, su cui si sta lavorando da anni per cercare di replicarla sulla Terra, così da contare su una fonte energetica che promette diversi benefici, attira investimenti, pubblici e privati. A livello privato, il sostegno alle tecnologie di fusione oggi supera i 7,3 miliardi di dollari a livello globale, si legge nel World Fusion Outlook 2024 della IAEA (International Atomic Energy Agency). Lo stesso documento ricorda che a oggi si contano almeno 20 concept di impianto a fusione a varie fasi di sviluppo in Canada, Cina, Germania, Israele, Giappone, Repubblica di Corea, Federazione Russa, Svezia, Regno Unito e USA con date di completamento previste tra il 2030 e il 2055.

Anche a livello aziendale, si registra un crescente interesse, come testimonia il numero di società che lavorano alla fusione, più che quadruplicato, dal 2017 a oggi, passato da una decina di realtà a più di quaranta.

La ricerca sulla fusione nucleare e sulla fisica del plasma viene svolta in più di 50 paesi, in primis USA e Cina, ma l’Italia c’è. Il nostro Paese ha un ruolo di primo piano nella realizzazione dei componenti utili a realizzare gli impianti. Come illustrato dalla stessa premier, Giorgia Meloni, alla COP29, «l’Italia è impegnata in prima linea sul nucleare da fusione».

L’intenzione del Governo è di proseguire nelle attività di sviluppo della fusione. Lo hanno confermato sia il ministro degli Esteri, Antonio Tajani, sia il ministro dell’Ambiente e della Sicurezza energetica, Gilberto Pichetto Fratin, in occasione della riunione inaugurale del World Fusion Energy Group (WFEG), prima riunione del gruppo mondiale per l’energia da fusione, promosso dall’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica (IAEA) e dallo stesso Governo italiano.

Cos’è l’energia da fusione nucleare

La fusione nucleare è una reazione mediante cui si produce energia, che alimenta il sole e le altre stelle. L’interesse che genera è motivato dal fatto che essa potrebbe generare quattro volte più energia per chilogrammo di combustibile rispetto alla fissione (utilizzata nelle centrali nucleari) e quasi quattro milioni di volte più energia rispetto alla combustione di petrolio o carbone.

Come spiega la IAEA, la fusione nucleare è il processo mediante cui due nuclei atomici leggeri (come l’idrogeno, per esempio) si combinano per formarne uno singolo più pesante, liberando enormi quantità di energia. Le reazioni di fusione avvengono in uno stato della materia chiamato plasma, un gas ionizzato caldissimo, composto da ioni positivi ed elettroni liberi di muoversi.

Per fondersi, i nuclei devono scontrarsi tra loro a temperature molto alte (circa dieci milioni di °C). L’elevata temperatura fornisce loro abbastanza energia per superare la loro reciproca repulsione elettrica. Una volta che i nuclei si trovano a una distanza molto ravvicinata l’uno dall’altro, la forza nucleare attrattiva supererà la repulsione elettrica e consentirà loro di fondersi. Perché ciò accada, i nuclei devono essere confinati in uno spazio piccolo per aumentare le possibilità di collisione.

Perché il processo possa avvenire, si utilizzano due tipi di reattori a fusione, tokamak e stellarator, dispositivi di confinamento magnetico per manipolare i plasmi.

Entrambi sono caratterizzati da campi magnetici ad anello. I tokamak producono parte di questi campi mediante una corrente elettrica che scorre nel plasma. Gli stellarator, invece, formano la gabbia del campo magnetico esclusivamente mediante bobine esterne.

Attualmente sono in funzione circa 60 tokamak (il più grande è ITER, di cui parleremo tra poco) e dieci stellarator.

Alcuni dei progetti più significativi

Sono diversi i progetti sviluppati. Tra questi, va ricordato il recente progetto FAST (Fusion by Advanced Superconducting Tokamak), avviato lo scorso novembre in Giappone con l’obiettivo di realizzare una produzione di energia basata sulla fusione entro il 2039.

Presentato come la prima iniziativa al mondo a estrarre energia da fusione da un plasma, intende generare e sostenere un plasma di reazioni deuterio-trizio, dimostrando un sistema energetico di fusione integrato.

Nel 2023, dopo un’attività durata 40 anni di attività, è iniziata la dismissione del Joint European Torus (JET), operazione che continuerà fino al 2040 circa. Gli scienziati hanno stabilito un record mondiale, mantenendo la fusione sostenuta per cinque secondi, generando 69 MJ di energia, usando un quantitativo minimo di combustibile.

In Italia, è attivo il DTT (Divertor Tokamak Test facility), un esperimento di fusione in costruzione presso il Centro Ricerche ENEA di Frascati. Si tratta di un impianto da mezzo miliardo di euro, previsto dalla Road Map europea e finalizzato quale filone di ricerca parallelo e complementare a quello previsto in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Avviato nel 1985, in corso di realizzazione nel sud della Francia, ITER è finalizzato alla costruzione del più grande tokamak del mondo. Alla sua realizzazione stanno lavorando e collaborando 33 Paesi diversi (i fondatori sono Cina, Unione Europea, India, Giappone, Corea, Russia e Stati Uniti). ITER è progettato per produrre 500 MW di potenza di fusione da 50 MW di potenza dal combustibile in ingresso.

Fusione nucleare oggi: difficoltà, ritardi…

L’interesse internazionale sulla fusione nucleare prosegue. Secondo i dati del report IAEA, si sono raggiunti 7,3 miliardi di dollari d’investimenti nel 2024, in aumento di 1,1 miliardi rispetto al 2023. Tuttavia, la crescita è ridotta se si pensa che nel 2021 l’incremento registrato era stato di 2,03 miliardi e nel 2022 era stato di 2,83 miliardi. L’aumento del 2023, rispetto all’anno appena conclusosi, è stato comunque più elevato (+1,4 miliardi). Secondo quanto riportato da Reuters, questo calo è motivato dalle difficoltà nel reperire capitali per una tecnologia che un giorno potrebbe rivoluzionare il settore energetico, ma che al momento presenta notevoli ostacoli.

Lo stesso ITER è in ritardo sulla tabella di marcia. A luglio 2024, in occasione di una conferenza stampa dedicata, il direttore generale del progetto internazionale ha comunicato che nel nuovo piano, il raggiungimento della  piena energia magnetica è stato fissato al 2036, in ritardo di tre anni rispetto al riferimento del 2016, mentre l’inizio della fase operativa deuterio-trizio nel 2039  giungerà in ritardo di quattro anni.

Secondo quanto specificato in un articolo pubblicato su Science, a seguito della conferenza, si è evidenziato che il reattore non si accenderà prima del 2034, nove anni dopo rispetto a quanto attualmente previsto. Le reazioni di fusione che producono energia, l’obiettivo del progetto, non arriveranno prima del 2039, e solo a brevi intervalli, per soddisfare le preoccupazioni di sicurezza dell’ente regolatore nucleare in Francia, dove è in costruzione l’ITER.

… e nuove attività

Il ritardo di ITER segnerà il cammino dell’attività di ricerca e sviluppo della fusione nucleare, ma accanto a esso va segnalato un altro, importante, passo. Si tratta di SPARC che, nel 2027, promette di essere la prima macchina per fusione a energia netta. In altre parole, intende divenire la prima macchina per l’energia da fusione commercialmente rilevante al mondo a produrre più energia dalla fusione di quanta ne serva per alimentare il processo.

Artefice tecnologica (in collaborazione col Plasma Science and Fusion Center del MIT) è Commonwealth Fusion Systems, che si presenta come la principale e più grande azienda privata di fusione al mondo, capace di raccogliere più di 2 miliardi di dollari di capitale dalla sua fondazione, nel 2018. Dopo SPARC, Commonwealth Fusion Systems intende costruire ARC, la prima centrale elettrica a fusione al mondo in grado di produrre elettricità netta.

La ricerca sulla fusione nucleare lavora sul confinamento magnetico e sul confinamento inerziale. ITER sposa la prima, mentre dall’altra parte va ricordata la startup Focused Energy. Nata nel 2021 come spin-off tecnologico dell’Università di Darmstadt e di National Energetics, nel 2023 è stata tra le otto aziende selezionate dal Dipartimento dell’Energia USA per condividere 46 milioni di dollari per promuovere progetti e ricerca e sviluppo per centrali elettriche a fusione. Dal suo avvio, ha raccolto più di 175 milioni di dollari in capitale privato e finanziamenti pubblici. A fine ottobre 2024 ha annunciato l’intenzione di collocare un impianto di sviluppo laser nella Bay Area di San Francisco. Si tratta di un passo fondamentale, in quanto il processo di fusione inerziale è attuato da fasci di raggi laser.

Il ruolo dell’intelligenza artificiale

Accanto a nuove realtà, va anche valutato il peso specifico dell’innovazione tecnologica nel contribuire al progresso della fusione nucleare. A tale proposito va ricordato il recente rapporto della Clean Air Task Force (CATF) che ha evidenziato come l’intelligenza artificiale e l’High Performance Computing stiano accelerando lo sviluppo dell’energia da fusione in aree chiave, tra cui la selezione dei materiali, i superconduttori ad alta temperatura, l’energia da fusione tramite confinamento inerziale e la diagnostica avanzata.

L’interesse e il valore dell’Italia

Lo scorso settembre è stato annunciata la realizzazione del primo dei nove settori del Vacuum Vessel di ITER, il contenitore a doppia parete che ospiterà la reazione di fusione. Fornirà un ambiente in grado di impedire a polvere, aria, liquidi e impurità di entrare nella camera dove, grazie a una serie di potenti magneti superconduttori che abbracceranno il contenitore, il plasma galleggerà senza toccare le pareti. La realizzazione del primo settore è opera dell’impresa comune europea Fusion for Energy (F4E), che vede attive l’italiana Ansaldo Nucleare e Walter Tosto, insieme a Westinghouse (tramite la controllata Mangiarotti) oltre a ITER Organization e vari parti interessate, tra cui ENEA. La stessa presentazione è avvenuta in Italia, a Monfalcone, presso lo stabilimento industriale di Westinghouse.

L’industria italiana svolge un ruolo di primo piano nello sviluppo di ITER e delle tecnologie associate alla ricerca sulla fusione. Lo ha ricordato Sergio Orlandi, che è stato direttore del Dipartimento Ingegneria e impianto del Progetto ITER, evidenziando che cinque settori del Vacuum Vessel come pure i grandi magneti capaci di assicurare il confinamento magnetico del plasma sono realizzati da aziende italiane che hanno raggiunto livelli di eccellenza per qualità e capacità di innovazione. Lo stesso laboratorio di ricerca Consorzio RFX per la Neutral Beam Test Facility (che si è arricchito nel 2024 del nuovo impianto), dove sono in costruzione due prototipi per il riscaldamento esterno del plasma di ITER, si trova in Italia, a Padova.

Dalla ricerca alla Piattaforma nazionale per il nucleare sostenibile

Oltre che in F4E, ENEA è attiva quale coordinatrice del programma italiano all’interno del consorzio EUROfusion, che riunisce 4800 ricercatori europei per portare avanti il programma di ricerca mirato guidato dalla Roadmap europea per l’energia da fusione nucleare. Sono coinvolti più di 20 soggetti, fra Università, consorzi, istituti di ricerca e aziende.

In particolare, nell’ambito del consorzio EUROfusion, in Italia è in fase di costruzione a Frascati il già citato reattore DTT.

Sempre a livello nazionale, va ricordato che il MASE ha istituito, nel 2023, la Piattaforma nazionale per il nucleare sostenibile. Le principali organizzazioni scientifiche e le aziende che operano nel settore nucleare sono state incaricate di sviluppare una possibile tabella di marcia per riconsiderare la generazione di energia nucleare come fonte energetica decarbonizzata e distribuibile come parte del mix energetico italiano. Oltre valutare a fattibilità di abilitare l’energia nucleare in Italia dal 2035 in poi, la Piattaforma si è anche concentrata sull’energia da fusione, in termini di ricerca e sviluppo e sul suo dispiegamento nel medio-lungo periodo.