Alimentare il Futuro con i Metalli di Uso Quotidiano

La ricerca sulla fusione non riguarda soltanto il plasma e i magneti: anche tungsteno, rame e litio possono svolgere ruoli importanti nei futuri impianti. Questi materiali aiutano ad affrontare problemi di resistenza al calore, conduzione elettrica e produzione del combustibile. Il passaggio da esperimenti a centrali collegate alla rete, tuttavia, resta un obiettivo di ricerca e sviluppo.

WEST: un impulso di plasma di circa sei minuti con pareti in tungsteno

Nel 2024 il tokamak WEST, in Francia, ha mantenuto un plasma a circa 50 milioni di gradi Celsius per sei minuti, con 1,15 gigajoule di energia immessa. Rispetto al precedente riferimento riportato dai ricercatori, l’energia immessa è aumentata del 15% e la densità è raddoppiata. Si tratta di energia fornita al plasma, non di elettricità netta prodotta.

WEST è gestito dalla Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica (CEA). Partecipa al programma CICLOP dell’AIEA per le sfide dell’operazione di lunga durata. Il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), laboratorio del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, collabora da tempo 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

La fusione alimenta il Sole e le stelle: nuclei leggeri si uniscono formando nuclei più pesanti e, nelle reazioni appropriate, liberano energia. Nei dispositivi sperimentali terrestri il combustibile viene portato allo stato di plasma e confinato a temperature molto elevate.

I tokamak utilizzano campi magnetici per confinare il plasma in una camera toroidale. L’obiettivo a lungo termine è produrre energia utilizzabile e, in una centrale completa, più elettricità di quanta ne richiedano tutti i sistemi. Il guadagno energetico del solo plasma non equivale al bilancio elettrico netto dell’impianto.

Mantenere condizioni sufficientemente calde, dense e stabili rimane una sfida. Il plasma deve essere riscaldato a temperature superiori a quelle del nucleo solare. Il carbonio è stato usato in diversi esperimenti, ma può trattenere troppo combustibile per un futuro reattore. Per questo si studiano materiali alternativi.

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

WEST è rivestito con tungsteno, candidato importante per i componenti esposti al plasma. Rispetto al carbonio, trattiene meno combustibile. Se però anche piccole quantità di tungsteno entrano nel plasma, la radiazione emessa dalle impurità può raffreddare il plasma stesso. 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.»

L’impulso di circa sei minuti con pareti in tungsteno è un risultato importante. Non è però il doppio del record di Tore Supra: il predecessore di WEST, rivestito di grafite, aveva ottenuto un impulso leggermente più lungo. La novità riguarda il funzionamento prolungato in un ambiente con tungsteno, rilevante per i futuri reattori.

Una nuova diagnostica a raggi X per caratterizzare il plasma

L’impulso record è stato studiato con un sistema diagnostico a raggi X del PPPL basato su un rivelatore DECTRIS appositamente adattato. La camera a raggi X molli multienergia (ME-SXR) permette di ricavare informazioni sulle proprietà del plasma.

«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

Il ME-SXR confronta otto misure d’intensità nella banda fra 11 e 18 kiloelettronvolt (keV). Questa scelta permette di studiare l’emissione del nucleo del plasma; la diagnostica non risente delle interferenze a radiofrequenza che possono disturbare altri sistemi di misura.

Dal confronto delle intensità si ricavano la temperatura elettronica e informazioni sulle impurità, soprattutto il tungsteno proveniente dalle pareti. Questi dati aiutano a comprendere e ottimizzare gli impulsi lunghi. Rémi Dumont, coordinatore scientifico dell’esperimento, ha sottolineato il valore del sistema:

Dumont ha evidenziato la capacità del sistema di distinguere le energie e ricavare informazioni sulle impurità. Litaudon ha sottolineato che le nuove misure aiutano a studiare il trasporto del tungsteno dalla parete al nucleo del plasma.

I risultati record aprono porte allo sviluppo dei reattori

Le misure del gruppo guidato da Delgado-Aparicio, con Tullio Barbui, indicano una temperatura elettronica centrale stabile di circa 4–4,5 keV, corrispondente a quasi 50 milioni di gradi Celsius, durante l’impulso di sei minuti. Il keV esprime qui una scala di energia termica, non una tensione elettrica in kilovolt.

Le simulazioni del CEA hanno mostrato un buon accordo con le misure. Litaudon ha osservato:

«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 ha un punto di fusione di circa 3422°C, il più alto fra i metalli. È adatto a sopportare elevati flussi termici, ma non viene portato alla temperatura del plasma: i componenti richiedono raffreddamento e protezione. La cinese Xiamen Tungsten Co., Ltd., quotata alla Borsa di Shanghai, è un produttore globale di primo livello. 

Nel 2023 Xiamen Tungsten ha riportato ricavi di 39,398 miliardi di yuan e un utile netto attribuibile agli azionisti di 1,602 miliardi di yuan. La sua attività nei materiali può essere rilevante per varie applicazioni industriali, ma questi risultati non dimostrano che la fusione sia già una fonte significativa di ricavi per l’azienda.

Il rame e le sue leghe sono importanti per la conduzione elettrica e termica in diversi componenti, dalle bobine resistive alle sbarre conduttrici e ai sistemi di raffreddamento. Le esigenze dipendono dalla specifica tecnologia del reattore.

Freeport-McMoRan Inc. (FCX), (FCX ) è un importante produttore di rame con sede negli Stati Uniti. Nel 2023 ha registrato ricavi consolidati di 22,855 miliardi di dollari e un utile netto attribuibile alle azioni ordinarie di 1,848 miliardi. La domanda di rame dipende da molti settori, fra cui reti elettriche, energie rinnovabili e veicoli elettrici; non soltanto dalla possibile fusione futura.

Il litio può contribuire alla produzione di trizio attraverso reazioni nucleari con i neutroni nei mantelli fertilizzanti: questo ruolo è distinto dalle sue proprietà elettrochimiche nelle batterie. Le batterie al litio potrebbero immagazzinare elettricità, anche se prodotta da un futuro impianto a fusione, ma non sono una parte necessaria della reazione. Albemarle Corporation (ALB) (ALB ), uno dei principali produttori di litio, ha registrato nel 2023 ricavi annui record di 9,62 miliardi di dollari, in aumento del 31% rispetto all’anno precedente.

Nel 2023 i volumi di vendita del segmento Energy Storage di Albemarle sono aumentati del 35%, soprattutto grazie all’espansione La Negra III/IV in Cile e a maggiori volumi di lavorazione conto terzi. Il calo dei prezzi del litio e le variazioni della domanda restano rischi importanti; la crescita dei volumi non garantisce rendimenti azionari.

Se la fusione raggiungerà la diffusione commerciale, potrebbe creare domanda aggiuntiva per alcuni materiali. Quantità, tempi e benefici per i produttori dipenderanno dai progetti adottati e dal ritmo di costruzione degli impianti. Non è quindi possibile dedurre automaticamente una crescita significativa degli utili o dei prezzi azionari.

Le partnership pionieristiche alimentano il progresso

Il risultato nasce dalla collaborazione fra PPPL, CEA e DECTRIS. Il PPPL ha sviluppato la diagnostica con finanziamenti del DOE, mentre WEST offre un banco di prova per impulsi lunghi con componenti in tungsteno. Non è corretto descriverlo come l’unico dispositivo al mondo che utilizza tungsteno.

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 risultato di WEST è un progresso nello studio di plasmi di lunga durata con materiali rilevanti per i reattori. Non dimostra ancora una centrale a fusione capace di produrre elettricità netta. Diagnostiche come ME-SXR aiutano a misurare la temperatura e le impurità e a migliorare il controllo del plasma.

C’è ancora molto lavoro da fare per realizzare una centrale pratica. Occorre combinare durata, densità, temperatura e stabilità con materiali resistenti, gestione del combustibile, estrazione del calore e un bilancio energetico favorevole. Il funzionamento per mesi è un possibile obiettivo ingegneristico, non una soglia universale che ogni concetto debba raggiungere nello stesso modo.

La fusione potrebbe contribuire a un approvvigionamento energetico a basse emissioni, ma richiede ancora soluzioni per costi, affidabilità, trizio, neutroni e materiali attivati. Questo sviluppo potrebbe contribuire alla mitigazione del cambiamento climatico, alla sicurezza energetica e al futuro sviluppo economico. 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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