Quella della fusione, la reazione nucleare che alimenta le stelle, è una possibile fonte di energia sicura e potenzialmente illimitata e la realizzazione di impianti industriali per produrre elettricità da un sole artificiale è una delle maggiori sfide scientifiche del nostro tempo. A Saint-Paul-lès-Durance, nel Sud della Francia, 35 nazioni stanno collaborando per costruire Iter, il più grande tokamak del mondo — come racconta Stefano Montefiori su Pianeta 2030 (leggi qui) —, un reattore a fusione magnetica progettato per dimostrare la fattibilità della fusione come fonte di energia su larga scala priva di emissioni di carbonio.

La ricerca italiana nel campo della fusione gioca un ruolo decisivo: al Neutral Beam Test Facility, in un hangar di 18.000 mq del CNR di Padova, sono in costruzione due prototipi per il riscaldamento esterno del plasma di Iter, il progetto sostenuto da 35 Paesi in Provenza

Il reattore Iter è finanziato da Unione Europea, Stati Uniti, Russia, Cina, India, Giappone e Corea del Sud, ed è oggi uno dei progetti energetici più ambiziosi al mondo che punta a imbrigliare l’energia del sole per aiutare a risolvere molti dei problemi legati alla sostenibilità della vita sulla Terra. Nelle stelle l’idrogeno si fonde in elio, liberando enormi quantità di energia. Dal 2010, in un sito di 42 ettari nelle campagne della Provenza, è in corso la realizzazione dell’intero impianto industriale della macchina Iter, ma Saint-Paul-lès-Durance non è l’unico luogo privilegiato di questo colossale progetto energetico. La ricerca italiana nel campo della fusione gioca un ruolo decisivo in questa iniziativa globale. In un hangar di 18.000 mq nell’area territoriale del CNR di Padova sono in costruzione due prototipi per il riscaldamento esterno del plasma di Iter : gli esperimenti “Mitica” e “Spider”, un iniettore di particelle neutre il primo, una sorgente di ioni negativi il secondo.

di Stefano Montefiori - Foto di Luigi Avantaggiato

La prova generale dell’iniettore prima di usarlo su Iter

La Neutral Beam Test Facility (NBTF) sorge nei locali del Consorzio RFX, un laboratorio di ricerca italiano che studia la fisica del plasma e la fusione nucleare controllata dal 1996 . I componenti realizzati nel test facility di Padova saranno riprodotti in Francia: l’esito degli esperimenti condotti in Italia offrirà agli scienziati la possibilità di indagare problemi fisici e tecnologici impegnativi e di convalidare concetti prima che il sistema sia installato su Iter. Mitica è l’acronimo di Megavolt Iter Injector and Concept Advancement, un prototipo a grandezza naturale di un iniettore di particelle neutre riscaldanti . Si tratta di un imponente dispositivo in grado di scaldare il plasma di Iter attraverso l’immissione di milioni di watt di potenza tramite l’iniezione di particelle neutre.

Come si riscalda il plasma a base di deuterio-trizio

Il riscaldamento del plasma avviene quando un fascio particelle penetra al suo interno e, per collisione con quelle che incontra, trasferisce l’energia al plasma stesso aumentandone la temperatura. Il carburante utilizzato per generare il plasma nei reattori a fusione è un gas di deuterio-trizio, entrambi isotopi dell’idrogeno, l’elemento più diffuso nell’universo. Affinché raggiunga lo stato di plasma e avvenga la reazione di fusione le temperature all’interno del reattore devono raggiungere 150 milioni di gradi Celsius , ben dieci volte quelle del nucleo del sole. Il tokamak di Iter si baserà su tre fonti di riscaldamento esterne analoghe a Mitica che lavoreranno di concerto per fornire la potenza in ingresso necessaria per portare il plasma alla temperatura di fusione.

Il fascio di particelle iniettato nel plasma

«Per dare l’idea, pensiamo a un grande accendino in grado di produrre un fascio di particelle accelerate all’energia di 1 megaelettronvolt (MeV)» racconta Vanni Toigo, project manager di Mitica. «Il fascio di particelle iniettato nel plasma, incontra le particelle del plasma stesso, la cui energia è circa 100 volte inferiore, e avvia un numero enorme di intensissime collisioni . In questo modo cede la propria energia fino a riscaldare la materia all’interno del reattore a temperature mai misurate nell’universo conosciuto». Nella sua interezza questo “accendino” è un prodigio ingegneristico di enormi dimensioni, articolato in tubi d’acciaio di tre metri di diametro e lunghi oltre cento dentro cui serpeggia l’intera rete di apparati necessaria all’iniezione , come i conduttori di alimentazione elettrica a diversi potenziali, le fibre ottiche per l’acquisizione delle diagnostiche, le tubature in cui circola l’acqua di raffreddamento e il gas di processo.

Le sagome dei generatori nella periferia padovana

I cinque generatori blu che compongono il suo sistema di alimentazione a 1 MV – unico al mondo per potenza e dimensioni! – spuntano come pinnacoli da corso John e Robert Kennedy, si inseriscono prepotentemente nella periferia della città padovana è prefigurano che la fattibilità della fusione nucleare come fonte di energia su larga scala è concreta, imprimente e sempre più vicina. Nella fabbrica delle stelle di Padova lavorano circa duecento persone tra ricercatori, fisici, ingegneri e personale tecnico, divisi tra Mitica e Spider (Source for the Production of Ions of Deuterium Extracted from a Radio frequency plasma), la sorgente di ioni negativi più grande al mondo entrata in funzione per la prima volta nel 2018 . In questo dispositivo consiste in un sistema di estrazione e accelerazione delle particelle composto da una serie di tre griglie di elettrodi, ciascuna con 1280 fori perfettamente calibrati, attraverso i quali le particelle negative generate nel plasma vengono estratte e successivamente accelerate.

Manutenzione griglie, controllo pressione e raffreddamento

È affascinate poter osservare la passione e l’energia dei team al lavoro nella facility padovana. Mitica e Spider rappresentano il vertice di una sofisticata rete di apparati tecnici e di sistemi di supporto necessari al loro funzionamento altrettanto complessa. Negli hangar di NBTF c’è chi si occupa della manutenzione delle griglie di estrazione di Spider, c’è chi controlla la pressione nei tubi del sistema di raffreddamento della facility – un intero edificio in grado di dissipare fino a 70 MW di potenza! – oppure chi analizza dei campioni di acqua per verificarne la sua purezza. Vedere le diverse squadre di scienziati all’opera nel loro teatro di sperimentazione, affaccendate a costruire imponenti dispositivi, restituisce la sensazione di trovarsi dinanzi un “prodigio paradossale”. Nel centro di eccellenza padovano le équipe di ricercatori operano infaticabilmente alla costruzione di enormi macchine per generare, estrarre e accelerare porzioni di materia di dimensione subatomica: invisibili, impercettibili, inconsistenti. Eppure misurare, calcolare e interpretare questa invisibilità della materia è decisivo per l’andamento degli esperimenti e per rispondere all’urgenza energetica che anima il colossale progetto Iter.

Quelle informazioni «scritte» nella luce del plasma

Quando incontro Barbara Zaniol, ricercatrice presso il consorzio RFX, si trova al lavoro sotto la camera del vuoto di Spider, tra i cavi in fibra ottica che penzolano da un imponente cilindro di 4 metri di diametro e 6 di lunghezza dentro il quale alloggia Spider. Le flange dell’involucro che ospita la sorgente sono ricche di aperture dedicate agli strumenti diagnostici e a quelli funzionali alle connessioni con gli apparati interni. È nel buio e nel vuoto di questo bozzolo metallico che Spider si accende e genera energia: «Nella luce emessa dal plasma ci sono “scritte” informazioni preziose per il successo degli esperimenti, basta saperle leggere. Grazie ai nostri sistemi diagnostici di spettroscopia, dallo studio della luce riusciamo a risalire alla composizione e allo stato energetico del plasma e operare di conseguenza» . La caratterizzazione del fascio di ioni negativi e della materia gassosa, nonché la valutazione del funzionamento dei componenti di Spider, richiedono la sinergia di diversi apparati di misurazione che lavorano all’unisono.

Modelli che simulano il funzionamento del cervello

Per analizzare l’intensità e l’energia del fascio prodotto dalla sorgente gli scienziati di NBTF hanno realizzato Strike, uno speciale calorimetro diagnostico composto da tegole di grafite in grado di ricostruire la mappa termica lasciata del fascio con altissima precisione . Durante l’accensione di Spider, le lastre di grafite si sovrappongono alla scia degli ioni, rilevandone la traccia. I dati estrapolati da Strike, analizzati attraverso algoritmi di machine learning, definiscono l’uniformità e la divergenza del fascio generato dalla sorgente: «Strike è determinante per capire forma e inclinazione del fascio» spiega la ricercatrice Rita Sabrina Delogu : «Grazie all’impronta termica rilevata sul lato esterno di Strike riusciamo a capire cosa accade invece sul fronte, sulla parete interna della tegola a diretto contatto con il fascio. Per il nostro esperimento quindi, è necessario risolvere il problema matematico della ricostruzione della potenza incidente sul fronte del calorimetro avendo a disposizione solo le impronte termiche sul retro. Per far questo utilizziamo le reti neurali, ovvero modelli computazionali che simulano il funzionamento del cervello in grado di apprendere e riconoscere pattern tra insiemi di dati».

di Massimiliano Del Barba, inviato a Verona

di Massimiliano Del Barba, inviato a Verona