Nel 1989, una coppia di chimici si vantò di aver ottenuto la fusione, ovvero di aver sfruttato lo stesso tipo di energia prodotta dal sole, in acqua a temperatura ambiente. Il famigerato annuncio della “fusione fredda” generò entusiasmo in tutto il mondo. Ma nessuno fu in grado di replicare il risultato e le affermazioni furono rapidamente respinte e ridicolizzate.
Da allora, gli scienziati e, più di recente, gli investitori, hanno sottolineato che una versione diversa della fusione non solo è possibile, ma è il futuro dell’energia. Ma l’industria nascente può sfidare lo scetticismo del suo clamore?
Per oltre 70 anni, i ricercatori hanno sperimentato varie tecnologie di fusione, dai reattori a forma di ciambella ai raggi laser strettamente focalizzati ai dispositivi con bobine magnetiche attorcigliate, tutti volti a riscaldare un combustibile a idrogeno fino a quando gli atomi non si fondono insieme, rilasciando enormi quantità di energia. E nel 2022, gli scienziati di un importante laboratorio di fusione, situato presso il Lawrence Livermore National Laboratory in California, hanno raggiunto una pietra miliare nell’energia di fusione quando sono stati in grado di produrre una reazione autosufficiente con una quantità netta positiva di energia, una soglia chiamata accensione.
Il settore della fusione è piccolo, ma in rapida crescita: negli ultimi decenni sono nate circa 50 aziende, molte delle quali fondate negli ultimi 10 anni.
Il risultato, insieme a precedenti esperimenti che hanno generato brevemente una notevole quantità di energia, è stato una spinta per un settore nascente, rafforzando la legittimità e gli sforzi di raccolta fondi di numerose startup, tra cui Xcimer Energy a Denver. “Quello è stato il grande punto di svolta”, ha affermato Conner Galloway, CEO e responsabile scientifico dell’azienda, che in precedenza ha studiato al MIT e al Los Alamos National Laboratory. Xcimer, come il laboratorio di Livermore, utilizza una tecnica di fusione laser. “Eravamo convinti, io e il mio co-fondatore, che se si costruisce un laser con energia sufficientemente elevata, questo funzionerà”.
I leader di altre startup di fusione concordano con questa valutazione. “Per noi come azienda e come settore finanziato privatamente, questo è stato un grande punto di dati che dimostra che, sì, la fusione è pronta per questa transizione da progetto scientifico, dove ci sono successi, alla costruzione di centrali elettriche”, ha affermato Brian Berzin, CEO della startup con sede nel New Jersey Thea Energy. Berzin ha co-fondato l’azienda, che è sostenuta dal Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti, con David Gates, un ex ricercatore presso il Princeton Plasma Physics Laboratory, e Matthew Miller, un imprenditore tecnologico.
L’industria della fusione è piccola, ma in rapida crescita: negli ultimi decenni sono nate quasi 50 aziende, molte delle quali fondate negli ultimi 10 anni, secondo la Fusion Industry Association . La maggior parte di esse si trova negli Stati Uniti, oltre ad alcune in Europa occidentale, Cina, Giappone, Canada e altrove, e spesso sono nate vicino a laboratori nazionali e importanti università di ricerca. Gli investitori hanno investito miliardi di dollari in startup che esplorano diversi approcci alla fusione.
I sostenitori affermano che il guadagno sarebbe enorme: energia economica, abbondante e priva di emissioni di carbonio, con una frazione dei rifiuti radioattivi o dei rischi dell’energia nucleare. Al momento, non c’è carenza di forti richieste di energia, come l’espansione dell’intelligenza artificiale e dei data center . Questi hanno contribuito ad alimentare una rinascita per le centrali nucleari tradizionali, tra cui la famigerata Three Mile Island della Pennsylvania, che ha subito una fusione parziale nel 1979, il peggior incidente nucleare nella storia del paese. Se la fusione si concretizzerà entro il prossimo decennio, le sue tecnologie e i suoi reattori saranno presumibilmente esaminati in modo simile per potenziali problemi ambientali e di sicurezza, tra cui l’estrazione di metalli, i rischi di esposizione alle radiazioni e così via.
Resta da vedere se queste startup di fusione, alcune delle quali ora con finanziamenti significativi, saranno in grado di costruire reattori nel prossimo futuro in grado di generare centinaia di megawatt. Jackson Williams, un fisico del plasma presso Lawrence Livermore, ha scritto che, sebbene non abbia i dettagli per valutare se la tempistica e la potenza in uscita siano plausibili, “il massimo che potrei dire è che nessuna azienda o entità ha costruito un reattore a fusione, né alcuno dei componenti su scala di rete, che raggiungerebbe quei livelli di potenza”.
Le tecniche nucleari più vecchie, che si tratti di testate o centrali elettriche, implicano la fissione, in cui gli atomi, l’unità più piccola di qualsiasi elemento, vengono spezzati per rilasciare le loro consistenti riserve di energia. Nella fissione nucleare, una minuscola particella chiamata neutrone in genere si scontra con il nucleo al centro di un atomo di uranio-235. Il processo rilascia quindi altri neutroni, quindi se c’è una massa critica di combustibile, ci sarà una reazione a catena. Per le bombe atomiche, le reazioni a catena sono deliberate e causano un’esplosione; nelle centrali elettriche, devono essere controllate per evitare una fusione, rilasciando pericolosa radioattività.
A differenza dell’energia solare ed eolica, le centrali nucleari a fissione possono generare energia continua, salvo interruzioni dovute a calamità naturali o guerre. Ma l’energia nucleare comporta rischi per l’ambiente e la salute. L’uranio deve essere estratto, ad esempio, anche in siti come le terre tribali Navajo, il che contamina la terra e l’acqua circostanti. Il funzionamento delle centrali nucleari richiede enormi quantità di acqua per aiutare a raffreddare i reattori caldi in cui avviene la fissione, motivo per cui le centrali vengono solitamente costruite vicino a laghi, fiumi e mari. E il normale funzionamento di tali centrali lascia dietro di sé scorie nucleari tossiche , che devono essere trasportate e immagazzinate in modo sicuro per millenni.
Invece di dividere gli atomi, la fusione li fa scontrare a temperature e pressioni incredibili. È lo stesso processo che avviene nell’interno del sole a 27 milioni di gradi Fahrenheit, dove l’idrogeno diventa così caldo che si trasforma in una forma di materia carica elettricamente chiamata plasma, e i nuclei di idrogeno si scontrano tra loro a velocità incredibili, combinandosi per diventare nuclei di elio e sputando fuori neutroni energizzati nel processo. (A differenza delle prime armi nucleari che erano basate interamente sulla fissione, le armi nucleari odierne sono bombe all’idrogeno che combinano fusione e fissione per rilasciare ancora più energia.)
I reattori a fusione terrestri differiscono in modo significativo dai nuclei stellari, ovviamente. I reattori in genere utilizzano una piccola quantità di combustibile a idrogeno pesante, come deuterio e trizio, che deve essere immesso continuamente nel sistema per mantenere in funzione le reazioni. Invece delle schiaccianti pressioni gravitazionali del sole, la fusione terrestre utilizza altre tecniche per guidare le reazioni. E poi i reattori assorbono l’energia in eccesso sotto forma di calore, che produce vapore che alimenta turbine che generano elettricità. Entro un decennio, se non prima, Xcimer e altre startup affermano di poter avere reattori che generano megawatt, sufficienti per alimentare i data center, e alla fine gigawatt di energia da fornire alle città.
Tuttavia, si tratta di ordini di grandezza superiori a qualsiasi cosa abbiano realizzato finora, e gli esperti di fusione sono cautamente ottimisti, anche se restano molte sfide. Ellie Tubman, una fisica sperimentale che lavora sulla fusione guidata da laser presso l’Università della California, Berkeley, si aspetta che più startup raggiungano l’accensione e alla fine inizino a generare più energia. Tubman, che collabora con aziende di fusione e potrebbe lavorare con Xcimer in futuro, ha affermato che alcune di queste startup potrebbero affrontare ostacoli tecnologici, tra cui lo sviluppo di materiali per reattori in grado di resistere a flussi di neutroni ad alta energia.
Queste aziende commerciali hanno esplorato molti tipi di fusione. Un approccio concentra potenti laser su piccole quantità di combustibile a idrogeno per innescare la fusione. Altre tecniche utilizzano potenti magneti per confinare e controllare il plasma surriscaldato. Ciò include reattori a forma di ciambella chiamati tokamak, uno dei quali è in fase di sviluppo presso Commonwealth Fusion Systems in Virginia, e alcuni che sono attorcigliati, chiamati stellarator, che sono in fase di sviluppo presso Type One Energy e Thea Energy rispettivamente in Tennessee e New Jersey. Alcune aziende, come General Fusion a Richmond, British Columbia, hanno approcci ibridi che combinano elementi di sistemi sia magnetici che basati su laser, il che, affermano, li aiuterà a ottenere una migliore efficienza energetica e a costi inferiori.
Rispetto alla fissione nucleare, in quasi ogni fase, la fusione sembra essere una forma di energia più pulita con meno rischi e, alla fine, meno costi, in particolare quando si tratta di inquinamento e consumo di acqua. Invece dell’uranio, la maggior parte degli attuali reattori a fusione richiede trizio. Le scorte globali di trizio sono così limitate che costa circa $ 30.000 al grammo, proveniente da 19 reattori nucleari commerciali in Canada. Un progetto di ricerca internazionale sulla fusione in Francia prevede di consumare gran parte di quella fornitura, quindi Xcimer e la maggior parte delle altre aziende stanno puntando sulla riproduzione del trizio nei loro reattori a fusione, dove i neutroni ad alta energia delle reazioni di fusione si scontrano con uno strato di litio, rilasciando atomi di trizio. Finché il loro processo di riproduzione produrrà almeno il 10 percento in più di trizio rispetto a quello iniziale, saranno autosufficienti, secondo uno studio recente .
In quel processo di generazione del trizio, le pareti del reattore sono ricoperte da uno strato di litio, i cui atomi possono ricombinarsi in elio e trizio. Affinché questo processo funzioni, l’estrazione del litio diventa cruciale. La maggior parte della fornitura mondiale viene estratta in un paio di posti e tale estrazione ha un impatto ambientale . Tuttavia, la quantità di litio necessaria in un reattore per generare trizio e materiali refrigeranti è relativamente piccola, anche se potrebbe arrivare alla quantità equivalente utilizzata in 20.000 auto elettriche, ha affermato Galloway, CEO di Xcimer. “Quindi non consideriamo il litio un rischio critico per la catena di fornitura”, ha scritto in un’e-mail.
Per quanto riguarda la sicurezza, mentre la fusione richiede temperature elevate di circa 100 milioni di gradi Celsius, non c’è alcuna reazione a catena e quindi nessun rischio di fusione. “La fusione è molto difficile da avviare e molto facile da fermare; la fissione è più facile da avviare e più difficile da fermare”, ha affermato Megan Wilson, responsabile della strategia di General Fusion. Per tutti i tipi di fusione, un reattore non ha più di un grammo di combustibile in un dato momento, appena sufficiente per continuare a funzionare per l’istante successivo, e un reattore non può continuare a funzionare da solo. “È necessario continuare a immettere combustibile, quindi non è possibile una fuga. Se succede qualcosa (terremoti, qualcosa cade nel plasma, qualcuno lo ha sovralimentato, qualcuno ha fatto qualsiasi cosa), sostanzialmente collasserà, il processo si fermerà”, ha affermato Thomas Sunn Pedersen, responsabile della tecnologia di Type One Energy.
Il trizio è leggermente radioattivo, ma ha un’emivita di circa 12 anni, il che significa che ci vuole quel tempo perché metà di esso decada. L’uranio-235, d’altro canto, impiega centinaia di milioni di anni per smettere di rappresentare una minaccia. E il trizio non è così pericoloso per le persone che vi sono esposte perché le sue radiazioni non penetrano la pelle. Wilson della General Fusion paragona il profilo di radiazione della fusione a quello di un ospedale che usa isotopi medici o ha un reparto di cura del cancro. Non ci sono scorie radioattive a lunga vita e la fusione ha rischi minimi di proliferazione o di militarizzazione, ha detto Berzin, che sostiene che la fusione è molto più sicura della fissione che le due fonti di energia non hanno somiglianze significative.
I ricercatori della fusione hanno fatto molti progressi, ma gli esperti suggeriscono che il settore è lontano almeno un decennio dall’alimentare una rete elettrica. Anche a Lawrence Livermore, il team di ricerca sta avanzando gradualmente. Uno dei loro primi esperimenti di fusione di successo ha prodotto solo una piccola resa, o energia netta, circa 3,1 megajoule , che è circa lo 0,1 percento del consumo energetico mensile di una singola casa negli Stati Uniti. Nei prossimi anni, i ricercatori stanno lavorando per aumentare quella quantità. Secondo Williams, il fisico della fusione di Lawrence Livermore, ciò comporta “cercare di ottenere un po’ più di energia dal laser e cercare di utilizzare quell’energia laser nel modo più efficiente possibile, riducendo al minimo le perdite che abbiamo nel sistema, cercando di progettare il bersaglio in un modo che utilizzi quell’energia nel modo più efficiente”.
Le startup di fusione hanno accumulato fondi per i loro ambiziosi piani e, grazie ai crescenti investimenti degli ultimi due anni, almeno nove aziende hanno già raccolto più di 100 milioni di dollari ciascuna. Un rapporto del 2021 delle National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine ha raccomandato che il Dipartimento dell’energia e il settore privato dovrebbero puntare a produrre elettricità netta in un impianto pilota di fusione nel periodo compreso tra il 2035 e il 2040.
Come passaggio intermedio, alcune startup hanno già in corso progetti iniziali più piccoli. La Lawson Machine 26 di General Fusion, ad esempio, è un dispositivo che l’azienda ha affermato dimostrerà il suo approccio su scala del 50 percento entro il 2026. Wilson ha affermato che intendono raggiungere il pareggio scientifico, ovvero il punto in cui i dispositivi sono in grado di produrre la stessa quantità di energia immessa nel plasma.
Berzin, CEO di Thea, la startup del New Jersey, ha affermato che il loro prototipo di sistema stellarator produrrà trizio, con un sistema successivo che fornirà energia in rete entro il 2030. Galloway di Xcimer ha affermato che il loro prototipo sarà online nel 2026 e che il loro obiettivo è di avere il loro impianto pilota a fusione in funzione a metà del 2030. L’anno scorso, Type One Energy ha annunciato i piani per il loro primo stellarator, Infinity One, presso il Bull Run Fossil Plant della Tennessee Valley Authority. In un comunicato stampa di martedì, la società ha annunciato di aver stipulato un accordo di cooperazione con la TVA per “sviluppare congiuntamente i piani per un potenziale progetto di centrale elettrica a fusione della TVA” nella regione chiamata Infinity Two, che potrebbe essere online già a metà del 2030.
sostieni acro-polis.it ♥ acquista i volumi di acro-pòlis libriMa i ricercatori hanno già fatto promesse sulla fusione in passato. Negli anni ’80, più o meno nello stesso periodo del fiasco della fusione fredda, gli scienziati hanno proposto di costruire un reattore tokamak, che impiega la fusione calda, come tutte le tecniche in fase di sviluppo oggi, nella Francia meridionale, chiamato ITER. Quattro decenni dopo, quel progetto di punta è ancora lontano dal completamento. Sostenuto da una collaborazione tra gli Stati Uniti e diversi paesi europei e asiatici, il progetto ITER è stato afflitto da numerosi ritardi nella costruzione e problemi tecnici relativi agli scudi termici. Il team ora punta al 2034, seguito da anni di ricerca.
Tuttavia, nessuno in nessuna azienda privata ha ancora dichiarato di aver raggiunto il pareggio scientifico, il traguardo raggiunto da Livermore nel 2022. Un paio di startup potrebbero raggiungerlo nel giro di pochi anni, ha affermato il responsabile della strategia di General Fusion, ma anche in quel caso, il risultato sarebbe comunque a diversi passi di distanza, sia tecnici che finanziari, dall’erezione di una centrale elettrica di dimensioni standard in grado di generare elettricità a fini commerciali.
Una delle principali questioni in questo campo è se la fusione farà davvero la differenza in termini di mitigazione del cambiamento climatico, soprattutto se non si concretizzerà in tempi brevi.
Tuttavia, molti nel settore rimangono fiduciosi. Berzin ritiene che ci sarà richiesta di impianti di fusione commerciali di diverse dimensioni e per siti e scopi diversi, mentre Pedersen ritiene che la fusione potrebbe diventare una potente soluzione climatica, generando “produzione di elettricità 24 ore su 24, 7 giorni su 7 senza emissioni di CO2”, ha affermato.
“Il cambiamento climatico è in atto”, ha affermato, “e prima troveremo una soluzione che possa essere adottata in modo generalizzato, meglio sarà per l’umanità”.
Forse in futuro ci sarà una competizione tra fissione e fusione, soprattutto se l’intermittenza dell’energia solare ed eolica le farà percepire come insufficienti.
Entrambi i tipi di energia potrebbero fornire anche piccoli reattori (ciascuno con una capacità fino a 300 megawatt), ha detto Pedersen, con alcune applicazioni oltre all’alimentazione dei data center, come l’energia per la desalinizzazione e gli impianti di rimozione del carbonio. Oppure se la fusione si rivelasse sicura ed ecologica come affermano i suoi sostenitori, potrebbe alla fine prevalere sul suo rivale nucleare.
L’industria emergente ha grandi obiettivi, supponendo che i piani per nuovi piloti e reattori siano realizzati. Per Galloway di Xcimer, lo sviluppo della fusione segna una transizione critica per una civiltà avanzata. “È il passaggio finale per la produzione di energia”, ha affermato. “Si inizia con l’energia animale, bruciando legna, e poi si arriva al carbone, al vento e all’acqua. Poi si scopre la fisica nucleare, la fissione e la fusione. Oltre la fusione, non c’è nient’altro”.
Autore
Ramin Skibba (@raminskibba) è un astrofisico diventato scrittore scientifico e giornalista freelance che vive nella Bay Area. Ha scritto per WIRED, The Atlantic, Slate, Scientific American e Nature, tra le altre pubblicazioni.
Fonte: UNDARK
https://www.asterios.it/catalogo/cinema-e-matematica
