Quindi mi sento obbligato a dissipare parte dell'iperbole geek-whiz che è sorta intorno alla fusione nucleare, che è stata regolarmente annunciata come la "perfetta" fonte di energia e propagandata troppo spesso come soluzione magica per i problemi energetici del mondo.

Il saggio dello scorso anno ha dimostrato che le caratteristiche proclamate in continuazione sulla perfezione energetica (di solito "inesauribili, economiche, pulite, sicure e prive di radiazioni") sono tutte sfatate da dure realtà - e che un reattore a fusione sarebbe in realtà più vicino al contrario di una fonte di energia ideale.

Ma quella discussione coinvolse in gran parte i tipici inconvenienti dei reattori a fusione, a livello concettuale, i cui sostenitori continuano a insistere che in qualche modo, un giorno, saranno sormontati.

Nel dicembre 2017, la direzione del progetto ITER ha annunciato che il 50% delle attività di costruzione era stato completato. Questo importante traguardo offre una notevole fiducia sull'eventuale completamento di quella che sarà l'unica installazione sulla Terra che assomigli remotamente a quello che dovrebbe essere, praticamente, un reattore a fusione.

I fisici del plasma considerano ITER il primo dispositivo di confinamento magnetico in grado di dimostrare un "burning plasma", dove il riscaldamento di particelle alfa generate nelle reazioni da fusione è il mezzo dominante per mantenere la temperatura del plasma.

Questa condizione richiede che la potenza di fusione sia almeno cinque volte la potenza di riscaldamento esterna applicata al plasma. Anche se nessuna di queste energie da fusione sarà effettivamente convertita in energia elettrica, il progetto ITER è principalmente pubblicizzato come un passo fondamentale lungo la strada verso una pratica centrale elettrica a fusione, ed è questa affermazione che sarà, qui, oggetto della nostra preoccupazione.

Vediamo cosa si può dedurre su alcuni inconvenienti, probabilmente irrimediabili, delle strutture di fusione osservando l'impegno ITER, concentrandoci su quattro aree: consumo di elettricità, perdite di combustibile al trizio, attivazione di neutroni e domanda di raffreddamento. La struttura fisica di questo progetto da 20 a 30 miliardi di dollari viene visualizzata nella foto qui sotto.

Sul sito di ITER si è accolti dal proclama "Energia illimitata", che è anche il grido di battaglia degli entusiasti della fusione in tutto il mondo. L'ironia di questo slogan è apparentemente persa fra gli addetti ai lavori e non sospettata dal pubblico. Ma chiunque abbia seguito la costruzione del sito ITER negli ultimi cinque anni - ed è facilmente seguito da fotografie dettagliate e descrizioni sul sito web del progetto - sarebbe rimasto colpito dall'enorme quantità di energia investita.

Il sito Web si vanta implicitamente di questo massiccio investimento energetico, raffigurante ognuno dei sottosistemi ITER come il più stupendo nel suo genere. Ad esempio, il criostato, per il raffreddamento ad elio liquido, è il più grande recipiente sottovuoto in acciaio inossidabile del mondo, mentre il tokamak stesso peserà fino a tre torri Eiffel. Il peso totale della struttura centrale di ITER è di circa 400.000 tonnellate, di cui le componenti più pesanti sono 340.000 tonnellate per le fondazioni e gli edifici del complesso tokamak e 23.000 tonnellate per il tokamak stesso.

Ma i richiami dovrebbero essere angoscianti piuttosto che estasianti, perché il più grande, e il "più grande" significa grande esborso di capitale e grandi investimenti energetici, dovrebbe apparire sul lato negativo del libro mastro della contabilità energetica. E questa energia è stata in gran parte fornita dai combustibili fossili, lasciando un'impronta di carbonio enormemente insondabile per la preparazione del sito e la costruzione di tutte le strutture di supporto, così come il reattore stesso.

Nel sito del reattore, le macchine a combustibili fossili scavano enormi volumi di terra fino a una profondità di 20 metri e producono e installano innumerevoli tonnellate di cemento. Alcuni dei più grandi camion al mondo (alimentati da combustibili fossili) trasportano componenti del reattore gigantesco al sito di assemblaggio. I combustibili fossili vengono bruciati nell'estrazione, nel trasporto e nella raffinazione delle materie prime necessarie per realizzare i componenti del reattore a fusione ed anche nel processo di fabbricazione stesso.

Ci si potrebbe chiedere come mai l'energia spesa potrebbe essere restituita, e ovviamente non lo sarà. Ma l'incarnazione molto visibile dell'infinito investimento di energie rappresenta solo il primo componente dell'ironica "Energia illimitata".

Adiacente a questi edifici c'è un piazzale di smistamento elettrico di 10 acri con sottostazioni massicce che gestiscono fino a 600 megawatt di elettricità, o MW (e), dalla rete elettrica regionale, che è sufficiente a fornire una città di medie dimensioni. Questo potenza sarà necessaria come input per fornire le esigenze operative di ITER; nessuna energia fluirà mai verso l'esterno, perché la costruzione interna di ITER rende impossibile convertire il calore di fusione in elettricità. Ricordate che ITER è una struttura di test progettata esclusivamente per mostrare la prova del concetto di come gli ingegneri possano imitare i meccanismi interni del sole per unire gli atomi insieme nel mondo reale in modo controllato; ITER non è destinato a generare elettricità.

La sottostazione elettrica suggerisce la grande quantità di energia che verrà spesa per il funzionamento del progetto ITER, come in effetti di ogni grande impianto di fusione.

Nel caso di ITER, il consumo di energia non interrompibile varia tra 75 e 110 MW (e), lo ha scritto JC Gascon, e i suoi coautori, nell'articolo del gennaio 2012 su Fusion Science & Technology, “Design and Key Features for the ITER Electrical Power Distribution.”

La seconda categoria di drenaggi ruota direttamente attorno al plasma stesso, il cui funzionamento è a impulsi. Per ITER, occorreranno almeno 300 MW (e) per decine di secondi per riscaldare il plasma reagente e stabilire le correnti di plasma necessarie. Durante la fase operativa di 400 secondi, saranno necessari circa 200 MW (e) per mantenere la combustione della fusione e controllare la stabilità del plasma.

Anche durante i prossimi otto anni di costruzione di impianti e shakedown, il consumo energetico in loco avrà una media di almeno 30 MW (e), aggiungendo ulteriore energia fungendo da precursore del drenaggio del sito, non interrompibile.

Ma gran parte delle informazioni sugli impieghi di energia - e le distinzioni tra la prevista generazione di calore di ITER invece che di elettricità - si sono già perse quando il progetto è stato descritto al pubblico.

Una tipica affermazione diffusa è che "ITER produrrà 500 megawatt di potenza in uscita con una potenza in ingresso di 50 megawatt", il che implica che entrambi i numeri si riferiscano alla potenza elettrica.

New Energy Times chiarisce che i 500 megawatt di output previsti si riferiscono alla potenza di fusione (incorporata in neutroni e alfa), che non ha nulla a che fare con l'energia elettrica. L'ingresso di 50 MW a cui si fa riferimento qui è la potenza di riscaldamento iniettata nel plasma per aiutare a sostenere la sua temperatura e corrente, ed è solo una piccola parte della potenza di ingresso elettrica complessiva al reattore. Quest'ultimo varia tra 300 e 400 MW (e), come spiegato in precedenza.

La critica tecnica del New Energy Times è essenzialmente valida e richiama l'attenzione sulla colossale potenza elettrica richiesta da qualsiasi impianto di fusione. Infatti, è sempre stato riconosciuto che è necessaria un'enorme quantità di energia per avviare qualsiasi sistema di fusione. Ma i sistemi di fusione tokamak richiedono anche centinaia di megawatt di energia elettrica per mantenerli in funzione. In una risposta apparente alle critiche del New Energy Times, il sito web di ITER ed altri suoi "outlet" o punti vendita.... come Eurofusion hanno corretto alcune dichiarazioni fuorvianti in merito al flusso di energia.

Tuttavia, vi sono problemi ben più gravi con l'operazione pubblicizzata da ITER rispetto alla fuorviante etichettatura delle potenze di input e output previsti. Mentre l'energia elettrica in ingresso di 300 MW (e) è più che indiscutibile, una questione fondamentale è se ITER produrrà 500 MW di qualsiasi cosa, una domanda che ruota intorno al combustibile vitale al trizio: la sua disponibilità, la volontà di usarlo e l'attività necessaria per ottimizzare le sue prestazioni. Altre idee sbagliate riguardano la natura effettiva del prodotto di fusione.

Tribolazioni al trizio.

Il combustibile da fusione più reattivo è una miscela 50-50 di isotopi di idrogeno deuterio e trizio; questo carburante (spesso siglato come "DT") ha un'uscita di neutroni da fusione 100 volte quella del deuterio da solo e un aumento spettacolare delle conseguenze delle radiazioni.

Il deuterio è abbondante nell'acqua ordinaria, ma non esiste una riserva naturale di trizio, un nuclide radioattivo con un'emivita di soli 12,3 anni. Il sito web di ITER afferma che il carburante trizio sarà "estratto dall'inventario globale del trizio".
Tale inventario è costituito da trizio estratto dalle acque pesanti dei reattori nucleari CANDU, situati principalmente in Ontario, Canada, e secondariamente in Corea del Sud, con una potenziale fonte futura dalla Romania.
L'attuale "inventario globale" di oggi è di circa 25 chilogrammi e aumenta di circa mezzo chilo all'anno, osserva Muyi Ni ed i suoi coautori nel loro articolo del 2013 sulla rivista "Tritium Supply Assessment for ITER", in "Ingegneria e design della fusione". l'inventario dovrebbe raggiungere il picco prima del 2030.

Mentre i fusioneers parlano disinvoltamente di fusione del deuterio e del trizio, hanno infatti intensamente paura di citare il trizio per due motivi: in primo luogo, è piuttosto radioattivo, quindi ci sono problemi di sicurezza legati al suo potenziale rilascio nell'ambiente.
In secondo luogo, è inevitabile la produzione di materiali radioattivi poiché i neutroni da fusione D-T bombardano il reattore, richiedendo una schermatura potenziata che ostacola notevolmente l'accesso per la manutenzione e l'introduzione di problemi di smaltimento dei rifiuti radioattivi.

In 65 anni di ricerche che hanno coinvolto centinaia di strutture, solo due sistemi di confinamento magnetico hanno mai utilizzato il trizio: il Tokamak Fusion Test Reactor nei miei vecchi ritrovi preferiti al Princeton Plasma Physics Lab e al Joint European Tokamak (JET) a Culham, Regno Unito, negli anni '90.

I piani attuali di ITER richiedono l'acquisizione ed il consumo di almeno 1 chilogrammo di trizio all'anno. Supponendo che il progetto ITER sia in grado di acquisire un'adeguata fornitura di trizio e sia abbastanza coraggioso da poterlo utilizzare, saranno effettivamente raggiunti 500 MW di potenza di fusione? Nessuno lo sa.

Il "Primo plasma" a ITER dovrebbe arrivare nel 2025. A questo seguiranno 10 anni relativamente deboli di assemblaggio continuo della macchina e ITER è una vetrina ... per gli inconvenienti delle operazioni periodiche al plasma di energia da fusione con idrogeno ed elio. Questi gas non producono neutroni di fusione e quindi consentono la risoluzione dei problemi di shakedown e l'ottimizzazione delle prestazioni del plasma con rischi di radiazioni minimi. Le instabilità del plasma devono essere tenute a bada per assicurare un adeguato confinamento di energia, in modo che il plasma reagente possa essere riscaldato e mantenuto ad alta temperatura. L'afflusso di atomi non idrogenici deve essere ridotto.

Il programma di ITER prevede l'uso di deuterio e trizio a partire dalla fine degli anni '30. Ma non è garantito il raggiungimento dell'obiettivo di 500 MW; la generazione di energia da fusione in grandi quantità dipende, tra le altre cose, dallo sviluppo della ricetta ottimale di iniezione di deuterio e trizio mediante pellet congelati, fasci di particelle, gas soffiato e riciclaggio. Durante la fase inevitabile della dentizione, all'inizio del 2040, è probabile che la potenza di fusione di ITER sarà solo una frazione dei 500 MW e che il trizio iniettato andrà in gran parte perso dal mancato recupero di quello bruciato (cioè fuso con il deuterio).

Le analisi sul funzionamento D-T in ITER indicano che solo il 2 percento del trizio iniettato verrà bruciato, in modo che il 98 percento del trizio iniettato uscirà incolume dal plasma reattivo. Mentre un'alta percentuale fluisce semplicemente con lo scarico del plasma, molto trizio deve essere continuamente rimosso dalle superfici del reattore, iniettori del fascio, condotte di pompaggio ed altre appendici per la lavorazione ed il riutilizzo. Durante la loro dozzina di traversie del Tritium Trail of Tears attorno al plasma, in regime di sottovuoto, rigenerazione e sistemi di alimentazione, alcuni atomi trizio saranno intrappolati permanentemente nella parete del vessel e e le componenti del reattore, e in sistemi di diagnostica e di riscaldamento del plasma.

I progettisti dei futuri reattori tokamak generalmente presumono che tutto il trizio bruciato sarà sostituito assorbendo i neutroni di fusione nel litio che circonda completamente il plasma reagente. Ma anche quella fantasia ignora totalmente che il trizio è permanentemente perso nel suo giramondo attraverso i sottosistemi del reattore. Come dimostrerà ITER, l'aggregato di trizio non recuperato può competere con la quantità bruciata e può essere sostituito solo dal costoso acquisto di trizio prodotto nei reattori a fissione.

Come notato in precedenza, i 500 MW di energia termica da fusione previsti da ITER non sono energia elettrica. Ma i sostenitori della fusione non sono d'accordo nel dire che questo potere di fusione non è una radiazione solare benigna, ma consiste principalmente (80%) di flussi di neutroni energetici la cui unica funzione apparente in ITER è produrre enormi volumi di scorie radioattive, quando bombardano le pareti del vessel del reattore e dei suoi componenti associati.

Solo il 2 percento dei neutroni sarà intercettato da moduli di test per studiare la produzione di trizio nel litio, ma il 98 percento delle correnti di neutroni si distruggeranno semplicemente fra le pareti del reattore o nei dispositivi connessi.

Nei reattori a fissione, al massimo il 3% dell'energia di fissione si presenta sotto forma di neutroni. Ma ITER è simile ad un apparecchio elettrico che converte centinaia di megawatt di energia elettrica in flussi di neutroni. Una caratteristica peculiare dei reattori a fusione D-T è che la la preponderanza di energia termica non viene prodotta nel plasma reattivo, ma piuttosto all'interno del Vessel del reattore, di acciaio, spesso quando le correnti di neutroni si infrangono su di esso e gradualmente dissipano la loro energia. In linea di principio, questa energia di neutroni termalizzata potrebbe in qualche modo essere riconvertita in elettricità a bassissima efficienza, ma il progetto ITER ha optato per evitare di affrontare questa sfida. Questo è un compito rinviato a delusioni chiamate "reattori dimostrativi" che i sostenitori della fusione sperano di diffondere nella seconda metà del secolo.

Un inconveniente, riconosciuto da tempo, dell'energia da fusione è il danno da radiazioni di neutroni alla materia esposta, che causa gonfiore, infragilimento e affaticamento.
Succede quindi che il tempo di operatività totale, a tassi di produzione di neutroni elevati, in ITER sarà troppo piccolo per causare anche danni minori all'integrità strutturale, ma le interazioni di neutroni continueranno a creare radioattività pericolosa in tutte le componenti esposte del reattore producendo, infine, un incredibile valore di 30.000 tonnellate di rifiuti radioattivi.

Il trasporto periodico e lo smaltimento off-site delle componenti radioattive, nonché l'eventuale disattivazione dell'intero impianto del reattore sono compiti energetici che ampliano ulteriormente il lato negativo del registro contabile dell'energia.

Saranno necessari flussi di acqua torrenziali per rimuovere il calore dal reattore di ITER, dai sistemi di riscaldamento al plasma, dai sistemi elettrici del tokamak, dagli impianti di raffreddamento criogenici e dai sistemi ad alimentazione magnetica. Compresa la generazione della fusione, il carico termico totale potrebbe arrivare a 1.000 MW, ma anche con la potenza di fusione ridotta a zero la funzione del reattore arriva a consumare fino a 500 MW (e) che alla fine diventa calore da rimuovere. ITER dimostrerà che i reattori a fusione saranno consumatori di acqua molto più esosi di qualsiasi altro tipo di generatore di energia, a causa degli enormi scarichi parassiti che si trasformano in calore aggiuntivo che deve essere dissipato sul posto. (*= Con "parassita" si intende il consumo di una parte della stessa potenza prodotta dal reattore).

L'acqua di raffreddamento verrà prelevata dal Canal de Provence formato dalla canalizzazione del fiume Durance e la maggior parte del calore verrà scaricato nell'atmosfera dalle torri di raffreddamento. Durante le operazioni di fusione, la portata combinata di tutta l'acqua di raffreddamento sarà pari a 12 metri cubi al secondo (180.000 galloni al minuto) ovvero più di un terzo della portata stessa del canale. Quel livello di flusso d'acqua può sostenere una città di 1 milione di abitanti. (Ma la domanda effettiva sull'acqua del Canale sarà solo una piccola parte di quel valore perché l'impulso di potenza di ITER sarà lungo solo 400 secondi con un massimo di 20 impulsi giornalieri, e l'acqua di raffreddamento di ITER sarà rimessa in circolazione).

Anche se ITER non produce nient'altro che neutroni, la sua portata massima di refrigerante sarà ancora circa la metà di quella di una centrale nucleare funzionante a carbone che sia operante a pieno regime e che genera 1.000 MW (e) di energia elettrica. In ITER ben 56 MW (e) di energia elettrica saranno consumati dalle pompe che fanno circolare l'acqua attraverso circa 36 chilometri di condutture nucleari.

L'impatto di ITER.

Un secondo ruolo di difficile valutazione di ITER sarà la sua influenza definitiva sulla pianificazione dell'approvvigionamento energetico. In caso di successo, ITER potrebbe consentire ai fisici di studiare plasmi di fusione a lunga durata e ad alta temperatura. Ma visto come un prototipo di produttore di energia, ITER sarà, manifestamente, una fonte di neutroni devastante alimentata da trizio prodotto nei reattori a fissione, alimentato da centinaia di megawatt di elettricità dalla rete elettrica regionale e che richiederà risorse idriche per il raffreddamento senza precedenti.

Il 'danno al neutrone' sarà intensificato, mentre le altre caratteristiche perdureranno in ogni successivo reattore a fusione che tenta di generare abbastanza elettricità per superare tutti i dissipatori di energia qui identificati.

Di fronte a questa realtà, perfino dei pianificatori di energia distratti o con la testa fra le nuvole sarebbero capaci abbandonare la fusione. Anziché annunciare l'alba di una nuova era energetica, è probabile che ITER finirà con lo svolgere un ruolo analogo a quello del reattore autofertilizzante di fissione, i cui vistosi inconvenienti ferirono mortalmente un'altra fonte professa di "energia illimitata" ed ha permesso la continua dominanza dei reattori ad acqua leggera (*LWR ndr) nell'arena del nucleare.

D.J.