Alimentare il Futuro con i Metalli di Uso Quotidiano

L’energia da fusione è stata al centro dell’attenzione negli ultimi anni, e la comunità scientifica è in fermento per i reattori futuristici. Ma dietro le quinte, alcuni dei metalli più comuni stanno silenziosamente consentendo il salto della fusione dal laboratorio alla rete. Tungsteno, rame e litio — elementi con cui interagiamo quotidianamente — si stanno dimostrando indispensabili nella ricerca di energia pulita illimitata.

Il Tokamak di Tungsten WEST stabilisce il record di fusione di 6 minuti

In una pietra miliare importante per l’energia da fusione, il dispositivo WEST (tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak) in Francia ha stabilito un nuovo record. WEST ha mantenuto un plasma di fusione a 50 milioni di gradi Celsius per sei minuti, iniettando 1,15 gigajoule di potenza. Questo risultato raddoppia la densità del plasma e fornisce il 15% di energia in più rispetto al precedente record di WEST.

WEST è gestito dalla Commissione francese per le Energie Alternative e l’Energia Atomica (CEA). È parte del programma Coordination on International Challenges on Long Duration OPeration (CICLOP) dell’AIEA. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ha una lunga partnership con WEST e CICLOP.

«Dobbiamo fornire una nuova fonte di energia, e la fonte dovrebbe essere continua e permanente. Questi sono risultati splendidi. Abbiamo raggiunto un regime stazionario nonostante ci trovassimo in un ambiente difficile a causa di questa parete di tungsteno.»

– Scienziato del CEA e presidente del CICLOP Xavier Litaudon

Nozioni di base sulla fusione

Fusione alimenta il sole e le stelle. Si verifica quando elementi leggeri come l’idrogeno vengono riscaldati a temperature estremamente elevate, formando plasma. In questo stato, le particelle del plasma collidono e si fondono, rilasciando grandi quantità di energia.

Sulla Terra, i dispositivi di fusione chiamati tokamak utilizzano potenti campi magnetici per confinare il plasma in una camera a forma di ciambella. L’obiettivo è raggiungere una reazione di fusione autosostenuta che generi più energia di quella immessa, potenzialmente fornendo una fonte di energia praticamente illimitata, sicura e priva di carbonio.

Tuttavia, mantenere queste reazioni abbastanza a lungo da estrarre energia netta rimane una sfida significativa. Il plasma deve essere riscaldato a temperature più elevate del nucleo del sole e mantenuto stabile per lunghi periodi. A differenza della maggior parte dei tokamak, che utilizzano pareti interne in carbonio che trattengono troppo combustibile per essere adatte a un reattore, i materiali alternativi sono sono in fase di esplorazione.

Le pareti di tungsteno di WEST: un avanzamento rilevante per i reattori

WEST è rivestito con tungsteno, un candidato principale per i futuri reattori di fusione. Il tungsteno trattiene molto meno combustibile rispetto al carbonio, il che è necessario per un funzionamento efficiente del reattore. Tuttavia, anche se il tungsteno viene tracciato nel plasma, può raffreddarsi rapidamente tramite radiazione. Luis Delgado-Aparicio del PPPL spiega:

«L’ambiente con parete di tungsteno è molto più impegnativo rispetto all’uso del carbonio. Questo è, semplicemente, la differenza tra cercare di afferrare il tuo gattino a casa e cercare di accarezzare il leone più selvaggio.»

Nonostante la difficoltà, il colpo record di 6 minuti di WEST con pareti di tungsteno è un passo avanti significativo. È due volte più lungo del record del predecessore di WEST con pareti di carbonio, il Tore Supra. Dimostrare impulsi lunghi con materiali rilevanti per i reattori è cruciale per gli obiettivi di CICLOP e per le future centrali elettriche.

Diagnostica a raggi X innovativa consente una svolta

Il colpo record è stato diagnosticato utilizzando un innovativo sistema di imaging a raggi X sviluppato dal PPPL. La fotocamera a raggi X morbidi a multi-energia (ME-SXR), realizzata da DECTRIS, è stata appositamente adattata dal PPPL per misurare le proprietà del plasma con un dettaglio senza precedenti.

«Il gruppo di raggi X del Dipartimento Progetti Avanzati del PPPL sta sviluppando tutti questi strumenti innovativi per tokamak e stellarator in tutto il mondo.»

– Delgado-Aparicio, capo dei progetti avanzati del PPPL

Tipicamente, le diagnostiche della fusione utilizzano uno o due livelli di energia dei raggi X. Il ME-SXR del PPPL effettua letture simultanee a otto livelli di energia tra 11 e 18 kiloelettronvolt (keV). Questa gamma fornisce dati chiari sul nucleo del plasma escludendo le interferenze dalle onde di riscaldamento a radiofrequenza.

Il ME-SXR misura direttamente le temperature degli elettroni nel nucleo del plasma confrontando le intensità a diverse energie. Determina anche la densità delle impurità di tungsteno che migrano dalle pareti, dati vitali per ottimizzare l’operazione a impulsi lunghi con pareti metalliche. Secondo il coordinatore di WEST Remi Dumont:

«Questo particolare sistema è il primo del suo genere con discriminazione energetica. È spettacolare. Grazie a queste nuove misurazioni, avremo la capacità di misurare il tungsteno all’interno del plasma e di comprendere il trasporto del tungsteno dalla parete al nucleo.»

I risultati record aprono porte allo sviluppo dei reattori

Il team del PPPL, guidato da Delgado-Aparicio e dal ricercatore Tullio Barbui, ha scoperto che il plasma di WEST ha raggiunto una tensione stabile di 4-4,5 kilovolt (quasi 50 milioni°C) nel nucleo per tutta la durata del colpo di 6 minuti. Sia i profili di impurità che di temperatura sono rimasti stabili.

Questi risultati sono stati confermati da simulazioni avanzate degli scienziati del CEA. Secondo Litaudon:

«Questa fotocamera a risoluzione energetica aprirà una nuova via in termini di analisi. Grazie a queste diagnostiche, possiamo comprendere questo problema e arrivare alla radice della fisica sia per la misurazione che per la simulazione.»

PPPL e WEST mirano a migliorare ulteriormente il controllo della temperatura e delle impurità di tungsteno per consentire operazioni ancora più lunghe e stabili. Inoltre, il PPPL sta condividendo la sua tecnologia ME-SXR con tokamak di tutto il mondo per accelerare la ricerca rilevante per i reattori. 

«Il ME-SXR è solo parte di un contributo più globale di diagnostiche dal PPPL al CEA/WEST. Questa collaborazione ci aiuta molto. Con questa combinazione di diagnostiche, saremo in grado di effettuare misurazioni molto accurate nel plasma e controllarlo in tempo reale.»

– Dumont 

Metalli di uso quotidiano che alimentano la fusione: tungsteno, rame, litio

Mentre il plasma è al centro dell’attenzione, il futuro della fusione dipende anche dai suoi componenti più tangibili. Tre metalli si stanno dimostrando essenziali: tungsteno, rame e litio.

Il tungsteno è apprezzato per il suo punto di fusione altissimo di 3422°C, il più alto di tutti gli elementi. Questo gli consente di resistere al calore rovente dei plasma di fusione. La cinese Xiamen Tungsten Co., Ltd., quotata alla Borsa di Shanghai, è un produttore globale di primo livello. 

Nel 2023, nonostante una diminuzione del 18,30% dei ricavi operativi a 39,398 miliardi di yuan, l’azienda ha registrato un aumento del 10,75% dell’utile netto attribuibile agli azionisti, raggiungendo 1,602 miliardi di yuan. L’espansione delle capacità produttive e i miglioramenti di efficienza di Xiamen Tungsten rafforzano la sua posizione di fornitore chiave di tungsteno ad alta purezza per le applicazioni di fusione, rendendola una prospettiva interessante per gli investitori.

Il rame è un elemento fondamentale dell’elettronica di fusione grazie alla sua eccezionale conduttività elettrica e termica. Le bobine magnetiche, i busbar e gli scambiatori di calore dipendono tutti dal rame per gestire le intense correnti e il calore della fusione. 

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) il più grande produttore di rame quotato in borsa con sede negli Stati Uniti, ha mantenuto una solida salute finanziaria nel 2023 con ricavi di 24,6 miliardi di dollari e un utile netto di 4,2 miliardi di dollari. Le ampie riserve di rame dell’azienda, l’impegno per la sostenibilità e i progressi tecnologici rafforzano le prospettive di crescita, in particolare con la crescente domanda di rame proveniente da energie rinnovabili e veicoli elettrici.

Lithium, the lightest metal, is becoming a fusion mainstay due to its remarkable electrochemical potential. Lithium blankets can breed tritium fuel, and lithium batteries can efficiently store fusion power. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), a major lithium producer, reported a record annual revenue of $9.62 billion in 2023, a 31% increase from the previous year.

Nonostante le sfide come il calo della domanda di veicoli elettrici e la diminuzione dei prezzi del litio, l’unità Energy Storage di Albemarle ha registrato una impressionante crescita del volume del 35%, principalmente grazie all’espansione dello stabilimento La Negra in Cile. L’attenzione dell’azienda sulla riduzione dei costi, la flessibilità finanziaria e gli investimenti nella crescita la posizionano bene nel mercato emergente del litio, sebbene il prezzo delle sue azioni abbia subito un significativo calo nell’ultimo anno.

Man mano che la fusione avanza, la domanda di questi metalli è destinata a crescere. Tungsteno, rame e litio possono non avere lo scintillio del plasma, ma costituiscono la spina dorsale del brillante futuro della fusione. I produttori in grado di fornire materiali ad alta purezza su larga scala potrebbero vedere un notevole impulso con l’inizio dell’era della fusione.

Le partnership pionieristiche alimentano il progresso

Questa svolta nasce da una collaborazione tra i principali istituti di fusione. Il PPPL, pioniere nelle diagnostiche del plasma, ha sviluppato il ME-SXR con finanziamenti da parte del DOE per progetti di carriera iniziale e sviluppo di diagnostiche. Il tokamak WEST del CEA, l’unico dispositivo al mondo con pareti di tungsteno per esplorare impulsi di lunga durata, fornisce un banco di prova ideale.

DECTRIS, leader mondiale nei rivelatori a raggi X, ha fornito la tecnologia di base che il PPPL ha adattato nel nuovo ME-SXR. Secondo il responsabile vendite di DECTRIS, Nicolas Pilet:

«La comunità della fusione del plasma è stata tra le prime a testare la tecnologia ibrida di conteggio dei fotoni per monitorare la dinamica del plasma. Siamo estremamente orgogliosi di contribuire a questo sviluppo con i nostri prodotti e siamo entusiasti della nostra eccellente collaborazione.»

Il record di WEST è anche un trionfo per CICLOP, il programma dell’AIEA che coordina gli sforzi globali sulle sfide dei lunghi impulsi. Combinando competenze e risorse, CICLOP mira a risolvere sistematicamente le questioni chiave che impediscono operazioni di fusione continue. Litaudon ha detto:

«Questo traguardo rappresenta un passo importante verso gli obiettivi del programma CICLOP. Il lavoro del PPPL a WEST è un eccellente esempio.»

Sul percorso verso un’energia di fusione pulita

Il record di 6 minuti di WEST con pareti di tungsteno segna un progresso significativo per l’energia da fusione. Convalida che i tokamak con materiali rilevanti per i reattori possono confinare in modo sostenibile il plasma a temperature necessarie per una potenza di fusione pratica. Diagnostiche innovative come il ME-SXR del PPPL consentono ai ricercatori di misurare e ottimizzare il plasma con una precisione senza precedenti.

C’è ancora molto lavoro da fare per sviluppare un reattore di fusione praticabile. La durata degli impulsi deve passare da minuti a mesi, aumentando la densità e mantenendo la stabilità. Materiali avanzati, magneti e sistemi di estrazione del calore sono essenziali. Tuttavia, gli scienziati stanno trasformando il vasto potenziale della fusione in realtà passo dopo passo.

La fusione ha il potenziale di fornire una fonte di energia sicura, priva di carbonio e praticamente inesauribile. Questo potrebbe aiutare a mitigare il cambiamento climatico, migliorare la sicurezza energetica, e supportare la prossima era dello sviluppo umano. In generale, come mostrano WEST e CICLOP, la collaborazione globale è fondamentale per superare le sfide della fusione e fornire i suoi immensi benefici al mondo.

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