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Energy Transition

Copiando dalle stelle

È una fonte virtualmente inesauribile, senza emissioni di gas serra, che non produce scorie: la fusione a confinamento magnetico sta per diventare realtà. Grazie, anche, all’impegno di Eni

20 Novembre 2021

Riccardo Venturi
Copiando dalle stelle

Se si chiama «transizione energetica», c’è un motivo. Non si fa da un momento all’altro, ma gradualmente, sfruttando tutte le fonti a disposizione e calibrando il mix man mano che l’innovazione tecnologica procede. E l’approccio di Eni, il primo gruppo industriale italiano, è olistico a tal punto da includere anche la fusione a confinamento magnetico, una fonte di energia sicura, sostenibile e inesauribile che riprodurrà i principi alla base della generazione dell’energia nelle stelle, compreso il nostro Sole. L’energia prodotta dal processo di fusione è virtualmente infinita, sicura e a zero emissioni di gas climalteranti e di inquinanti. Basti pensare che un grammo di combustibile per la fusione contiene l’energia equivalente a quella di oltre 60 barili di petrolio, senza che questo comporti il rilascio di gas serra. La fusione a confinamento magnetico, tecnologia mai sperimentata e applicata a livello industriale finora, rappresenta dunque una svolta nel percorso di decarbonizzazione. La strada verso questa tecnologia rivoluzionaria è lunga, ma percorrerla significa puntare verso un futuro sostenibile. Quello di Eni è un impegno concreto che sta dando i suoi primi frutti: Cfs (Commonwealth fusion systems), società spin-out del Massachusetts Institute of Technology di cui la stessa Eni è il maggiore azionista, ha appena condotto con successo il primo test al mondo del magnete con tecnologia superconduttiva Hts (High temperature superconductors) che assicurerà il confinamento del plasma nel processo di fusione magnetica. La tecnologia oggetto del test è di particolare rilevanza nel quadro della ricerca sulla fusione a confinamento magnetico poiché rappresenta un passo importante per creare le condizioni di fusione controllata, il che rende possibile il suo impiego in futuri impianti dimostrativi.

Un grammo di combustibile per la fusione contiene l’energia equivalente a quella di oltre sessanta barili di petrolio

Studiare, progettare e realizzare macchine in grado di gestire reazioni fisiche simili a quelle che avvengono nel cuore delle stelle è il traguardo tecnologico a cui tendono le più grandi eccellenze mondiali nella ricerca in ambito energetico. «Lo sviluppo di tecnologie innovative è uno dei pilastri su cui poggia la strategia di Eni volta al completo abbattimento delle emissioni di processi industriali e prodotti, nonché la chiave per una transizione energetica equa e di successo» commenta l’amministratore delegato di Eni, Claudio Descalzi. «Per Eni, la fusione a confinamento magnetico occupa un ruolo centrale nella ricerca tecnologica finalizzata al percorso di decarbonizzazione, in quanto potrà consentire all’umanità di disporre di grandi quantità di energia prodotta in modo sicuro, pulito e virtualmente inesauribile e senza alcuna emissione di gas serra, cambiando per sempre il paradigma della generazione di energia e contribuendo a una svolta epocale nella direzione del progresso umano e della qualità della vita. Il risultato straordinario ottenuto durante il test dimostra ancora una volta l’importanza strategica delle nostre partnership di ricerca nel settore energetico e consolida il nostro contributo allo sviluppo di tecnologie game changer».

Eni è impegnata da tempo in questo ambito di ricerca e nel 2018 ha acquisito una quota del capitale di Cfs per sviluppare il primo impianto che produrrà energia grazie alla fusione. Contestualmente, l’azienda ha sottoscritto un accordo con il Plasma science and fusion center del Massachusetts institute of technology (Mit), per svolgere congiuntamente programmi di ricerca sulla fisica del plasma, sulle tecnologie dei reattori a fusione, e sulle tecnologie degli elettromagneti di nuova generazione. Il test ha riguardato proprio l’utilizzo di tali elettromagneti per gestire e confinare il plasma, ovvero la miscela di deuterio e trizio portata a temperature altissime da fasci di onde elettromagnetiche, e ha dimostrato la possibilità di assicurare l’innesco e il controllo del processo di fusione, dimostrando l’elevata stabilità di tutti i parametri fondamentali. La tecnologia oggetto del test potrebbe contribuire significativamente alla realizzazione di impianti molto più compatti, semplici ed efficienti. Ciò contribuirà a una forte riduzione dei costi di impianto, dell’energia di innesco e mantenimento del processo di fusione e della complessità generale dei sistemi, avvicinando in tal modo la data nella quale sarà possibile costruire un impianto dimostrativo che produca più energia di quella necessaria ad innescare il processo di fusione stesso (impianto a produzione netta di energia) e consentendo, successivamente, la realizzazione di centrali che possano più facilmente essere distribuite sul territorio e connesse alla rete elettrica senza dover realizzare infrastrutture di generazione e trasporto dedicate.

Sulla base dei risultati del test entro il 2025 verrà realizzato il primo impianto sperimentale a produzione netta di energia

Sulla base dei risultati del test, Cfs conferma la propria roadmap, che prevede la costruzione entro il 2025 del primo impianto sperimentale a produzione netta di energia denominato Sparc e successivamente quella del primo impianto dimostrativo, Arc, il primo capace di immettere energia da fusione nella rete elettrica che, secondo la tabella di marcia, sarà disponibile nel prossimo decennio. Sparc sarà realizzato assemblando in configurazione toroidale (una ciambella detta tokamak) un totale di 18 magneti dello stesso tipo di quello oggetto del test. In tal modo sarà possibile generare un campo magnetico di intensità e stabilità necessarie a contenere un plasma di isotopi di idrogeno   a temperature dell’ordine di 100 milioni di gradi, condizioni necessarie per ottenere la fusione dei nuclei atomici con il conseguente rilascio di un’elevatissima quantità di energia.

Più nel dettaglio, nel corso del test il magnete toroidale, dal peso di circa 10 tonnellate, raffreddato con elio liquido a una temperatura di circa – 253.15°C (20 gradi sopra allo zero assoluto) è stato energizzato con una corrente elettrica di intensità crescente, fino a 40.000 Ampere, per periodi di tempo prefissati e in diverse condizioni di funzionamento, sviluppando un campo magnetico di elevatissima intensità, fino a 20 tesla. Tali campi magnetici non si sarebbero ottenuti con l’utilizzo di materiali tradizionali come il rame o superconduttori Lts (Low temperature superconductors) che si sarebbero danneggiati per il calore generato.

Il risultato è stato raggiunto grazie alle proprietà dei superconduttori Hts (Rebco – Rare earth barium copper oxide) che compongono la parte attiva del magnete, che sono in grado di raggiungere performance molto più elevate in termini di campo magnetico associato. Il test ha dimostrato la possibilità di mantenere il magnete nel regime di superconduzione con un’elevata stabilità di tutti i parametri fondamentali per il suo impiego in un futuro impianto dimostrativo. Il test ha, inoltre, generato una ingente mole di dati che saranno oggetto di analisi approfondite nel corso dei prossimi mesi. La tecnologia Hts si basa sulle scoperte che hanno portato Johannes Georg Bednorz e Karl Alexander Müller al Premio Nobel per la fisica nel 1987, ma solo recentemente la disponibilità commerciale di nastri Hts ha portato al loro utilizzo nei supermagneti.

Nella direzione della transizione energetica eni ha da tempo avviato un programma che prevede impegni su più fronti

La fusione a confinamento magnetico promette una vera e propria rivoluzione in campo energetico perché, una volta sviluppata a livello industriale, permetterebbe di avere a disposizione una fonte di energia pulita, sicura e praticamente inesauribile. In un’ottica di innovazione profonda, che possa condurre nel medio termine a disporre di una forma di energia sicura, pulita, a zero emissioni di CO2 e a bassissimo consumo di combustibile, perciò perfettamente coerente con gli obiettivi di trasformazione del mix energetico e di sostenibilità che caratterizzano la transizione energetica, Eni ha avviato da tempo un programma che prevede impegni su più fronti:

- partecipazione in Cfs (Eni è azionista di Cfs dal 2018);

- collaborazione ad un programma scientifico direttamente con il Mit, denominato Lift (Laboratory for innovation in fusion technology) volto ad accelerare l’individuazione di soluzioni in termini di materiali, tecnologie superconduttive, fisica e controllo del plasma;

- partecipazione al progetto Dtt (Divertor tokamak test facility) lanciato dall’Enea, per l’ingegnerizazione e la costruzione di una macchina tokamak di notevole rilevanza dedicata alla sperimentazione di componenti che dovranno gestire le grandi quantità di calore che si sviluppano all’interno della camera di fusione.

Il know-how industriale e le competenze di gestione e sviluppo di grandi progetti, che caratterizzano i processi di innovazione in Eni, combinate con l’eccellenza della ricerca scientifica di Enea, saranno la chiave di successo per la realizzazione di questa importantissima iniziativa e dell’associata infrastruttura, basata primariamente su competenze e tecnologie italiane.

Il progetto, in fase di realizzazione da Enea ed Eni presso il Centro di Ricerche di Frascati, pone ancora una volta l’Italia all’avanguardia internazionale nel campo della ricerca per ottenere energia pulita, sostenibile e sicura; collaborazioni con altre eccellenze italiane, che fanno parte da lunga data del network Eni, quali il Cnr ed i principali atenei coinvolti in questo campo, che si realizzano anche nella creazione del Centro di ricerca congiunto Eni-Cnr a Gela che ha come obiettivo principale quello di sviluppare competenze locali attraverso la promozione di dottorati di ricerca e l’attivazione di grant per la modellazione dei fenomeni fisici e degli elementi di progettazione ingegneristica nel campo dei reattori a fusione.

Una sfida che apre lo sguardo a uno scenario inedito

Lo sviluppo della fusione a confinamento magnetico è una sfida di livello mondiale che coinvolge molte eccellenze internazionali in ambito scientifico-tecnologico e industriale, dove ognuno sta mettendo la sua esperienza e le sue competenze al servizio di una tecnologia rivoluzionaria. Per quanto riguarda Eni, oltre a collaborare con importanti enti di ricerca, l’azienda ha messo a disposizione dei ricercatori il supercalcolatore Hpc5 che, con la sua grande potenza di calcolo, permette di utilizzare modelli matematici molto complessi per descrivere la fisica del plasma e simularne il comportamento. Quando la fusione sarà diventata tecnologicamente matura da poter essere utilizzata a livello industriale si aprirà uno scenario inedito in cui, finalmente, potrà essere garantita una fornitura estesa di energia pulita, sicura e sostenibile. Centrali elettriche alimentate da reattori a fusione potranno soddisfare la crescente richiesta di energia di grandi insediamenti produttivi e urbani, mantenendo una elevata sostenibilità. Impianti di dimensioni più piccole, integrati con le fonti rinnovabili, potranno al tempo stesso facilitare l’alimentazione energetica di piccole comunità e realtà off-grid.

Come avviene nel sole

Nel processo di fissione nucleare i legami tra le particelle dei nuclei del combustibile, solitamente costituito da isotopi dell’uranio (o da plutonio, nel caso dei reattori cosiddetti autofertilizzanti) vengono spezzati dai neutroni emessi nel decadimento nucleare spontaneo e regolati per innescare una reazione a catena controllata al fine di rilasciare energia, successivamente utilizzata per la generazione di vapore e la produzione di elettricità tramite turbine ed alternatori. Durante la fusione avviene il procedimento opposto: una volta create le condizioni opportune nuclei di elementi leggeri (come trizio e deuterio, isotopi dell’idrogeno) raggiungono uno stato della materia - il plasma - nel quale possono superare le forze repulsive e fondersi in un nucleo di elio, rilasciando più energia per unità di massa rispetto alla fissione. Questo è lo stesso processo alla base della generazione di energia nel Sole e nelle stelle. Tutto ciò potrà avvenire in virtù di tecnologie che garantiscono un processo intrinsecamente sicuro, in grado di estinguersi spontaneamente nel momento in cui vengono rimosse le condizioni che lo sostengono, tra le quali la presenza degli intensi campi magnetici per il confinamento del plasma all’interno dell’impianto.

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