Fusione nucleare: l'impatto di una tecnologia innovativa sullo scenario energetico globale

30 settembre 2015 mattia siccinio

Di recente la Commissione Europea, attraverso il consorzio EUROfusion ha disegnato la roadmap verso la produzione di energia elettrica tramite centrali a fusione nucleare, collocando nel 2050 l'ingresso di questa tecnologia nel mercato elettrico vero e proprio. In questa breve analisi – scritta da un fisico per un pubblico non specialista  tenterò di evidenziare gli aspetti della fusione nucleare potenzialmente rilevanti per lo scenario energetico mondiale. La distanza temporale fra la stesura di questo testo (autunno 2015) e la prevista entrata in funzione delle prime centrali introduce inevitabilmente una forte componente speculativa nella trattazione del tema. Nondimeno, almeno a livello qualitativo, un'investigazione preliminare alla luce delle attuali conoscenze è non solo possibile ma anche perfettamente naturale nell'ambito della valutazione del progetto nel suo complesso. E comunque chi vivrà vedrà.

Principi fisici. Le reazioni di fusione avvengono fra nuclei di atomi “leggeri”, che si uniscono formando un nucleo più pesante. A seconda delle specie atomiche coinvolte nella reazione, alla fusione si accompagna l'emissione di un quantitativo più o meno grande di energia in varie forme. Gli atomi che vengono utilizzati negli attuali esperimenti sono due “varianti” - due isotopi, più correttamente - dell'idrogeno, il deuterio e il trizio, che si uniscono a formare un nucleo di elio, un gas non radioattivo e non pericoloso da un punto di vista chimico. Ogni reazione di fusione deuterio + trizio libera un'energia pari a 17.6 MeV (acronimo di Mega electronVolt, un'unita' di misura dell'energia). Per farsi un'idea dell'immenso potenziale celato dietro a questo numero, basti pensare che l'energia prodotta dalla combustione di una tonnellata di carbone può essere ottenuta dalla fusione nucleare di un decimo di grammo di isotopi di idrogeno. La difficoltà' principale nell'ottenere fusione consiste essenzialmente nel tenere i nuclei vicini quel tanto che basta e per un tempo sufficiente affinché la reazione possa aver luogo, cosa non banale poiché i nuclei, in virtù della loro carica elettrica, tendono a respingersi. In quell'immenso reattore a fusione naturale che e' il nostro sole, i nuclei sono “costretti” a stare a contatto fra loro dalla gigantesca forza gravitazionale, che compensa la naturale tendenza all'espansione del gas caldo. Questa modalità di confinamento è però evidentemente non riproducibile su scala umana - la massa di gas necessaria per un singolo reattore sarebbe molto maggiore di quella dell'intera atmosfera terrestre. Nel corso dei decenni, i fisici hanno investigato tre tipologie di confinamento alternative alla gravità:

  1. Confinamento inerziale: il gas viene compresso tramite un'onda elastica molto potente, ottenuta tramite laser, che crea una pressione alta seppur localizzata e di brevissima durata temporale.
  2. Fusione fredda: Un materiale solido (per esempio il palladio) “assorbe” il gas fino a concentrazioni piuttosto alte, intrappolando i nuclei e mantenendoli a una distanza tale da consentire la reazione. E' doveroso tuttavia menzionare che la fusione fredda è un fenomeno fisico molto controverso, la cui effettiva esistenza è tuttora oggetto di discussione nella comunità scientifica – discussione che talora degenera in un poco costruttivo complottismo, ma tant'è.
  3. Confinamento magnetico: anche noto come fusione termonucleare o “calda”, consiste essenzialmente nello scaldare il gas a temperature altissime (centinaia di milioni di gradi Celsius) in modo da “rompere” gli atomi in nuclei ed elettroni liberi di muoversi indipendentemente gli uni dagli altri. Questo gas elettricamente carico è noto con il nome di plasma, e appunto in virtù della sua carica elettrica può essere confinato con l'ausilio di campi magnetici. Il lettore potrebbe chiedersi da dove prendiamo l'energia per raggiungere queste altissime temperature nell'ordine di centinaia di milioni di gradi Celsius. Ne parlo brevemente piu' oltre discutendo le problematiche aperte.

Questa terza modalità di confinamento è quella che allo stato attuale ha ottenuto i risultati migliori negli esperimenti compiuti nei laboratori e nelle università. In particolare, fra le tante tipologie di reattore che nel corso dei decenni sono state esplorate, il cosiddetto Tokamak (acronimo russo per “camera toroidale con bobine magnetiche”, ideato dai sovietici negli anni '60 e sviluppato poi in tutto il mondo) si è imposto come la migliore fra le opzioni disponibili. I reattori previsti per il 2050 saranno dunque dei Tokamak, benché altre configurazioni (a titolo di esempio cito gli stellaratori) continuino ad essere investigate in parallelo. Per un'analisi esaustiva sulla macchina Tokamak rimando al celebre testo “Tokamaks” di J. Wesson, che richiede tuttavia conoscenze avanzate di fisica e matematica. Il reattore sperimentale ITER, in costruzione nel sud della Francia, costituirà il passo in avanti decisivo verso la realizzazione della prima centrale DEMO. L'entrata in funzione di ITER è prevista per il 2020. Si tratta di una cooperazione internazionale che coinvolge Cina, India, Stati Uniti, Unione Europea, Russia, Giappone e Corea e che dovrà di fatto mostrare la fattibilità tecnica dei reattori a fusione alla luce delle criticità emerse nei decenni scorsi.

Impatto ambientale. Il consumo globale di energia primaria (che, grosso modo, si può suddividere in tre grandi voci, ossia produzione di energia elettrica E, trasporti T e riscaldamento R) dipende per una percentuale vicina all'80% da fonti fossili, ossia carbone, petrolio e gas naturale (si veda per esempio il sito dell International Energy Agency IEA). Immagino sia noto a tutti che questa dipendenza così abnorme è piuttosto indesiderabile, sia per motivi strettamente ambientali – per via dell'emissione di gas serra, cosi' come di ossidi di azoto e altri residui inquinanti della combustione – sia per motivi geopolitici – disgraziatamente, i giacimenti di petrolio e, in minor misura, di carbone, sono assai mal distribuiti sul globo terrestre, cosa che da diversi anni crea inquietanti tensioni di dimensione planetaria. Tale percentuale ci fa tuttavia capire che l'impresa di sbarazzarci delle fonti fossili richiederà uno sforzo notevole da parte della comunità internazionale. Di fatto, anche nella poco realistica ipotesi che il consumo mondiale di energia non aumenti nel lungo termine (ossia che il miglioramento dell'efficienza energetica nei vari settori sia in grado di compensare tanto la crescita demografica quanto la crescita economica delle nazioni emergenti e non) la frazione di energia prodotta da fonti non fossili dovrebbe aumentare fino al 500% del suo attuale valore per eliminare completamente la dipendenza mondiale dagli idrocarburi Per raggiungere un obbiettivo cosi' ambizioso, o quanto meno per andarci sufficientemente vicino, abbiamo bisogno di tecnologie con le seguenti caratteristiche:

  • Bassa emissione di inquinanti – sia in fase operazionale che in caso di incidente.
  • Alta densità energetica – cioè che non occupino superfici troppo grandi per MW (MegaWatt) prodotto.
  • Impiego di fonti reperibili in modo più o meno omogeneo sull'intero pianeta e disponibili in quantità sufficiente, in modo da impattare positivamente sulle tematiche geopolitiche.

Le fonti rinnovabili soddisfano senz'altro il primo e il terzo prerequisito (anche se si potrebbe discutere sull'impatto ambientale legato allo smaltimento dei pannelli solari, ma in questa sede non entro in dettaglio), ma non il secondo. Stando alle statistiche IEA nel 2012 la frazione di energia primaria (E+T+R) prodotta tramite rinnovabili ammonta a circa il 3,4% del totale, percentuale che scende all'1,1% se si considerano solo il solare e l'eolico, e questo nonostante i massicci investimenti degli ultimi anni, soprattutto in Europa. Pensare di sopperire all'intero fabbisogno mondiale solo con queste ultime fonti (l'idroelettrico non ha grossi margini di crescita) significherebbe centuplicare la produzione attuale, con conseguenze notevoli in termini di occupazione del suolo (dove le mettiamo le 99 pale eoliche che dobbiamo aggiungere a ogni pala già esistente?). Questo senza contare i problemi di stoccaggio – non possiamo controllare sole e vento, quindi non e' detto che l'energia venga prodotta quando ci serve, ma anche qui non entro in dettaglio. In sintesi, le rinnovabili sono senz'altro una parte importante della soluzione, ma da sole non possono bastare.

Per quanto riguarda il nucleare convenzionale, il secondo requisito sarebbe pienamente soddisfatto, ma il primo no (le scorie radioattive che restano potenzialmente letali per millenni sono un grosso problema, anche se in fase operazionale non si ha emissione di anidride carbonica). Inoltre, anche il terzo requisito andrebbe valutato con una certa cautela, essendo l'uranio presente in modo disomogeneo sulla crosta terrestre - sebbene le tecniche per estrarlo dall'acqua di mare possano almeno in parte ovviare al problema. Parallelamente, nel caso in cui si decidesse di aumentare massicciamente il potenziale nucleare convenzionale, si renderebbe necessaria anche un'accurata stima delle riserve mondiali di uranio, che così come quelle di petrolio sono limitate.

La fusione nucleare possiede invece tutte e tre le caratteristiche che ho identificato in precedenza. Infatti, non solo non produce gas serra, ma nemmeno scorie radioattive - come menzionato in precedenza, la reazione di fusione genera soltanto dell'elio, un gas non radioattivo e chimicamente neutro, che potrebbe in linea di principio essere rilasciato nell'ambiente senza nessun effetto collaterale, e per di più, i quantitativi emessi risulterebbero molto bassi alla luce dell'esigua quantità di combustibile necessaria. Gli unici rifiuti radioattivi sono dovuti allo smantellamento dei reattori a fine vita (il cosiddetto decommissioning), ma si tratta di Medium Level Waste, ossia rifiuti meno pericolosi di quelli provenienti dai reattori nucleari convenzionali. Inoltre – e questo è forse l'aspetto più interessante dei reattori a fusione – un incidente analogo alla famigerata catastrofe di Chernobyl non potrebbe in nessun caso aver luogo, sia perché la fusione, contrariamente alla fissione dell'uranio, non dà luogo a reazioni a catena e dunque la potenza non può crescere in maniera incontrollata, sia perché anche in caso di evento catastrofico oltre ogni ragionevole previsione la quantità di materiale radioattivo rilasciata sarebbe enormemente più bassa rispetto a quella di un reattore a fissione, e dunque le ripercussioni si avrebbero solo in un'area di pochi chilometri intorno all'impianto e per un periodo di tempo limitato (un reattore a fusione non contiene elementi che restano radioattivi per millenni). La taglia di un reattore a fusione verrà ad essere comparabile a quella degli attuali reattori a fissione, ossia all'incirca un GW (GigaWatt) elettrico, garantendo così un'alta densità di potenza. Per quanto riguarda gli aspetti geopolitici, i combustibili necessari alla fusione - come brevemente illustrato sopra - sono il deuterio, che si trova nell'acqua e da essa può opportunamente venire estratto, e il trizio, che in natura non esiste essendo un nuclide instabile ma che può venire prodotto all'interno del reattore stesso mediante un processo che coinvolge il litio, un elemento diffuso in modo sufficientemente omogeneo sulla crosta terrestre. Per coniare uno slogan, dove c'è acqua e terra, là e possibile fare fusione. Le stime sulla durata delle riserve di litio (il deuterio è pressoché illimitato, si parla di milioni di anni di riserve, o forse più) variano molto a seconda delle ipotesi di lavoro, ma per dare un'idea si va da un minimo di 1000 a un massimo di 30.000 anni. La speranza, in un futuro remoto, è quella di costruire reattori che necessitano del solo deuterio, impiegando una reazione nucleare che avviene a temperature al momento ben al di sopra delle nostre capacità tecnologiche.

Con questa breve e parziale analisi non si vuole arrivare ad affermare che la fusione nucleare da sola basterebbe al raggiungimento di uno scenario energetico libero dagli idrocarburi – non si dimentichi che la fusione produce energia elettrica E, dunque sarebbe necessario convertire l'intero sistema dei trasporti T e il riscaldamento R in utenze elettriche, cosa non esattamente banale su scala globale. Nondimeno, per arrivare a ridurre significativamente la dipendenza da petrolio, carbone e gas, lo sviluppo di fonti di energia aventi caratteristiche analoghe alla fusione è non solo auspicabile, ma imprescindibile.

Impatto economico. Mentre dal punto di vista ambientale ci sono pochissimi dubbi sugli effetti benefici che la fusione porterebbe con sé, molto più difficile è valutare l'impatto sui costi dell'energia, e dunque sull'economia in senso ampio. In ogni caso, è bene ricordare che il progressivo esaurimento delle fonti fossili porterà molto probabilmente ad un aumento dei costi dell'energia nei prossimi decenni, consentendo dunque alle cosiddette energie alternative – fra cui la fusione – di imporsi sul mercato globale (magari con l'ausilio di un sistema fiscale che penalizzi le fonti più inquinanti). Contrariamente a quanto avviene per le attuali centrali a carbone o a gas, il costo del kWh (kiloWatt-ora) da fusione dipenderebbe in misura minima dal prezzo del combustibile e dalle sue oscillazioni – a causa dei consumi estremamente ridotti grazie all'alta energia della reazione nucleare – e in massima parte dai costi di realizzazione e gestione dell'impianto. In questo senso la ricerca attuale è orientata a ottenere performance della macchina che rendano la tecnologia non solo affidabile, ma anche competitiva. Con ipotesi ragionevolmente ottimiste, Wald et al. (2005) concludono che il prezzo del kWh da fusione può essere dell'ordine di quello che si ottiene da tecnologie quali fotovoltaico o eolico. E' tuttavia importante notare che tali previsioni sono al momento piuttosto speculative, dato che l'effettiva resa di un reattore può solo venire estrapolata dagli esperimenti attuali, con tutte le numerose incertezze del caso. Alla luce di questo, non tenterò di fornire una stima dei costi reali di un reattore, ma piuttosto di evidenziare quali possano essere le criticità che influenzano negativamente le performance – senza nessuna pretesa né di completezza né di esaustività. Per chi volesse approfondire posso suggerire Zohm et al. (2013 Nucl. Fusion 53 073019), o il più recente Freidberg et al. (2015 Phys. Plasmas 22, 070901), purtroppo non disponibili open source.

Possiamo individuare le seguenti problematiche:

  • Durata della scarica. La caratteristica peculiare del Tokamak è quella di essere una macchina non stazionaria, ossia la scarica di plasma ha una durata limitata nel tempo. Negli esperimenti attuali la scarica dura al massimo pochi minuti. Per avere un reattore economicamente competitivo, sarà necessario raggiungere una durata di alcune ore, minimizzando al contempo l'interruzione fra una scarica e l'altra. E' chiaro infatti che quel che conta sono le ore effettive di funzionamento, una macchina molto potente ma quasi mai accesa darebbe alla fine un contributo modesto. Per il reattore DEMO è anche previsto – parallelamente al design non stazionario - uno scenario senza interruzioni, basato tuttavia sul massiccio impiego di dispositivi ausiliari costosi dal punto di vista dell'energia assorbita, che possono avere ripercussioni negative sulla competitività del kWh prodotto – si veda il quarto punto del presente elenco.
  • Carico termico a parete. La funzione principale del campo magnetico del Tokamak è quella di tenere il plasma caldo il più possibile lontano dalle pareti, per evitare che queste vengano danneggiate dalle altissime temperature del gas carico. Questo problema, già presente negli attuali reattori sperimentali, diventa critico nelle condizioni estreme previste per un reattore di potenza. In particolare, esiste una regione della macchina – il cosiddetto divertore – dove i valori del carico termico nel corso della scarica potrebbero superare i limiti ammissibili alla luce delle attuali conoscenze tecnologiche anche in fase operazionale. Questo costringerebbe a ridurre drasticamente la potenza dell'impianto onde evitare troppo frequenti interruzioni per manutenzione, con intuibili effetti sulla convenienza della tecnologia.
  • Stabilità della scarica. Se il carico termico sulle pareti è ai limiti della tollerabilità durante la normale fase operazionale, si può facilmente comprendere che un incidentale deterioramento del confinamento magnetico – e susseguente impatto del plasma a parete – avrebbe conseguenze assai nefaste sulle pareti del reattore, costringendo a lunghi e costosi periodi di manutenzione. Questi eventi catastrofici sono noti con il nome di disruptions, talora (male) italianizzato in disruzione. Benché un modello teorico generale non esista, siamo attualmente in grado di identificare i range di parametri “sicuri”, dove la macchina può operare senza rischio di disruptions, con una certa accuratezza. Resta da verificare in quale misura gli attuali criteri empirici possano essere estesi ed estrapolati ai grandi reattori di potenza.
  • Riscaldamento e current drive. Le macchine a fusione producono energia, ma per poter funzionare correttamente necessitano anche di assorbire energia, sia per il riscaldamento del plasma, sia per produrre delle correnti all'interno del plasma stesso (il cosiddetto current drive, CD). Con il parametro Q si definisce il rapporto fra l'energia prodotta dalla fusione e quella assorbita dal plasma. La condizione di Q = 1 è denominata breakeven, mentre Q = infinito (i.e. il plasma non ha bisogno di energia dall'esterno) si chiama ignizione. Ora, è evidente che per avere una macchina competitiva, il valore di Q deve essere sufficientemente alto (il reattore ITER dovrà dimostrare di poter raggiungere Q = 10). Siccome non è possibile aumentare più di tanto il numeratore – per motivi legati tanto alla stabilità della scarica quanto al carico termico a parete – la speranza è quella di ridurre al minimo il denominatore, facendo cioé in modo che tanto la potenza termica per il riscaldamento quanto le correnti vengano prodotte dal plasma stesso, limitando il più possibile il ricorso a sorgenti esterne.

Conclusione. Ciò che rende questa sfida ardua ma al contempo appassionante è che i quattro punti citati sono fra loro intimamente interconnessi, ed è dunque perfettamente inutile concentrarsi su un aspetto soltanto perdendo di vista le ripercussioni – potenzialmente fatali – sugli altri (a questo proposito si veda ad esempio Zohm 2010, Fusion Science and Technology 58 613). In conclusione, la competitività economica di un reattore a fusione dipenderà in modo cruciale da come i ricercatori saranno in grado di risolvere le sfide tecnologiche che si presentano. I risultati che conseguiremo nei prossimi, decisivi anni ci diranno quanto questa tecnologia rivoluzionaria sarà in grado di migliorare le condizioni di vita del genere umano nel rispetto dell'ambiente e del pianeta che abitiamo.

50 commenti (espandi tutti)

complimenti, bell'articolo, ampio, chiaro e con ottimo apparato di riferimenti bibliografici. un'osservazione puramente a margine: rispetto all'impatto che una matura tecnologia di fusione nucleare potrebbe avere sulla nostra dipendenza da petrolio, ricordo che, oltre di Energia, Trasporti e Riscaldamento, tale dipendenza si alimenta anche del bisogno di materie plastiche e in generale della centralità economica di un pò tutti i derivati della petrolchimica. senza sottovalutare quindi il potenziale impatto sul sistema economico delle centrali a fusione, mi sembra che non sia ancora all'orizzonte (neppure a livello puramente congetturale e speculativo) nessuna innovazione tecnologica capace di soppiantare il petrolio nella sua centralità per il nostro sistema economico e per il funzionamento della nostra civiltà. e su questa circostanza ho idea che il dibattito pubblico non si soffermi abbastanza.

Mi unisco ai complimenti per l'articolo molto chiaro ed esaustivo, dato lo stato desolante del dibattito pubblico italiano sull'energia (nucleare o non).

Mi fa molto piacere che l'articolo vi sia piaciuto. 

Gianfranco, il tuo punto sulle materie plastiche è corretto, la fusione non potrebbe sostituire il petrolio da quel punto di vista. Tuttavia, stando alle statistiche IEA (prendendo ad esempio gli Stati Uniti, figura 4.29.2 a pagina 482 di questo report del 2014) la frazione di greggio che viene trasformata in plastica è all'incirca il 10% del totale. 

Ora, una tecnologia che, metti mai, riuscisse a togliere di mezzo tutto il carbone, tutto il gas e tutto il petrolio tranne il 10%, come dire, averne... ;)

magari al 2050 non ci arriverò o probabilmente sarò totalmente rimbecillito, ma nel 2020 conto di esserci e sono curioso di vedere come va a finire.

Biotecnologie

Emmanuele 2/10/2015 - 14:23

Per via di chimica del petrolio, è ragionevole pensare che le biotecnologie riusciranno a sostituire le fonti fossili. Non solo, personalmente pensò che si riuscirebbe anche a produrre carburanti in quantità ingenti.

Ci sono voluti molti anni per capire di aver sperperato le mie migliori energie, e preziose risorse pubbliche, in un esercizio senza speranza.
La stragrande maggioranza della ricerca sulla fusione e' stata condotta negli ultimi 50 anni, al ritmo di miliardi di $ all' anno, in grandi laboratori nazionali, risultato delle decisioni di pochi tecnici-politici. Ne e' valsa pena?
Il culmine di questo lavoro e' il progetto ITER, un esercizio da circa 20 G$, un eccezionale concentrazione di risorse economiche e intellettuali. Ne vale la pena?
Credo di no. Le ragioni sono di vario ordine: scientifiche, tecniche ed economiche.
Dispiace sempre contraddire chi sostiene una tesi con entusiasmo genuino ma non posso trattenermi dal dire quel che penso dopo una vita dedicata allo studio di questa tecnologia.
La piu' cruda verita' al proposito e' ben riassunta in quest'artico rivolto al pubblico generico di Amory Lovins: Fusion Power: The Case of the Wrong Competitors
http://www.forbes.com/sites/amorylovins/2014/09/07/fusion-power-the-case...
La fusione come sorgente d'energia non funzionera' mai nel modo suggerito dal progetto ITER, un reattore di quel tipo, anche dovesse funzionare, non ha neanche lontanamente l'affidabilita' richiesta per un sistema ove il prezzo del kWh e' dominato dall'investimento strutturale.
Per un vecchio ma ancora attuale articolo tecnico sui problemi della fusione magnetica leggere The Trouble With Fusion by MIT Lawrence M. Lidsky,
http://www.askmar.com/Robert%20Bussard/The%20Trouble%20With%20Fusion.pdf
E questo senza entrare nel merito di un sistema la cui realizzazione dipende da stabilta' del plasma, scambi energetici fra componenti, interazioni con le pareti, refuelling, fusion waste disposal, ecc. ecc. ancora mai sperimentate.
Poi naturalmente il problema enorme della non proliferazione.
Un monito per chi sta' decidendo ora se dedicare la propria vita di lavoro ad un argomento quale la fusione termonucleare, gli potra' sembrare gratificante partecipare ad un grande progetto internazionale svolgendo con intelligenza e profitto un dettaglio del progetto ma alla fine e' psicologicamente importante anche sapere che si e' contribuito a fare qualcosa di utile nel suo insieme. Per questo farlo da posizioni accademiche, per esempio svolgendo allo stesso tempo funzioni didattiche, e' un punto di vista molto piu' sicuro e soddisfacente che non a tempo pieno in un grande laboratorio di ricerca.

Guardi, onestamente le criticità che sono elencate negli articoli dai lei proposti mi sembra di averle grosso modo menzionate, alcune più alcune meno, fra post e risposte ai commenti precedenti. Poi ognuno dei punti si potrebbe approfondire, ma non è questa la sede - sono ospite su questo blog frequentato da utenti di varia formazione. Mi sembra, fra parentesi, di essere stato abbastanza obbiettivo e poco propagandistico, sebbene inevitabilmente influenzato dalla mia posizione personale.

In tutta onestà, fare previsioni da qui al 2050 è un'esercizio molto incerto, che a seconda delle ipotesi può dare risultati molto positivi o molto negativi. Quindi, per carità...

Il punto però è questo: siamo nel 2015, ITER è in costruzione, fra 5 anni sarà attivo. Bloccare tutto adesso, a mio avviso non avrebbe nessun senso, dopo tutti questi anni di ricerca e investimenti. Dopo ITER non si potrà più mentire. Se le prestazioni saranno deludenti, addio fusione "calda". Adesso, sia dal punto di vista economico che tecnico, siamo alla pura speculazione. Perchè fermare tutto a cantiere avviato? Siamo arrivati fin qui...

P.S. Ma Oscar Blauman è un nome vero o uno pseudonimo? Sarei curioso di leggere qualche suo lavoro scientifico, ammesso che inconsapevolmente non lo abbia già fatto... 

P.P.S. Ecco, su una cosa non sono d'accordo: il problema della proliferazione nucleare non è affatto "enorme", anzi è irrisorio rispetto ai reattori a fissione, dato che non ci sono nè uranio nè plutonio.

Per il grande pubblico $ 20 mld sono una cifra assurdamente alta, ma riflettendoci non è poi così tanto.  Qualche anno fa un solo imbecille in pochi mesi ha determinato una pardita di € 4.9 mld, ovvero oltre un quarto di quanto ITER costerà in decenni; se volete possiamo dire che il programma costa quanto quattro imbecilli. Se ITER fallisce, pazienza, cercheremo di farcene una ragione; magari le tecnologie sviluppate tornano utili per qualcosa d'altro, ma se funziona i soldi spesi appariranno noccioline. Un articolo recente afferma che una volta costruiti i reattori a fusione saranno redditizi, magari ci azzeccano, anche se fare previsioni ultradecennali è un atto decisamente arrogante.

Saltando poi all'intervento di ieri dell'ing. Nasissimo, la sua posizione è quella di Alberto Clò, che in passato ha sostenuto che il nucleare (lui in effetti si riferiva a quello a fissione) necessariamente presuppone una gestione pubblica del settore energetico. Questa tesi ha qualche fondamento, ma può anche essere contestata; si parla di reattori a fusione con una taglia di approssimativamente 1 GW elettrico, ovvero 2-3 termici; il carico massimo della rete italiana è di circe 56 GW, circa il doppio per la rete tedesca. Ci sarebbe spazio per qualche decina di reattori e non necessariamente dovrebbero essere tutti controllati dallo stesso soggetto, e poi ormai il mercato dell'elettricità è continentale. Insomma è un po' complicato ma si può fare.

...faccio notare che sarebbero divisi fra UE, USA,Russia, Cina, Giappone, Corea e India...

Se uno fa i conti sulla durata del progetto ITER, viene meno di un euro all'anno pro capite.  Ovviamente, se vale la pena o no sta alla sensibilità di ognuno. Secondo me sì. 
 

2 curiosità: 1) qual è l' utilità pratica della fissione del torio con tecnologia Candu o simili: a dire di Wikipedia (I' m sorry per la modestia della mia fonte) sembrerebbe utilissima, con pochissimi difetti e tanti pregi, tra cui quello di essere già in uso commerciale da un po'; 2) in una monografia del 1976 di "le Scienze" sul laser si faceva rilevare che tutte queste tecnologie producono calore, che sfrutteremmo comunque in modo termodinamicamente antiquato per produrre il movimento per gli alternatori, mentre, in condizioni che non ricordo, si possono produrre neutroni che deformano un campo magnetico rispetto ad opportune bobine, che produrrebbero corrente in modo molto più diretto ed efficiente: cosa c' è di vero e di attuale ? Grazie.

La fissione nucleare l'ho studiata ai tempi dell'università, ma poi non ci ho più avuto a che fare, quindi non sono un grande esperto in materia... per cui provo a risponderti, ma non fidarti troppo ;).

Il vantaggio principale del torio è che è molto più abbondante dell'uranio (il quale, per l'appunto, è radioattivo e decade in torio), ed inoltre ha delle proprietà che lo rendono più "sfruttabile" dell'uranio come combustibile nucleare - solo una frazione piuttosto piccola dell'uranio naturale è adatta alla fissione tradizionale. Quindi il suo impiego moltiplicherebbe notevolmente le riserve. Inoltre, le scorie prodotte dalla fissione del torio sono meno pericolose, e necessitano minori tempi di stoccaggio.

Per quanto riguarda la seconda domanda, è vero, il tokamak altro non sarebbe che un'enorme "caldaia" che alimenta un ciclo termodinamico convenzionale - o antiquato, come lo chiami tu. Tecniche per la conversione diretta dell'energia nucleare in elettricità, bypassando la termodinamica, sono allo studio da diversi anni, ma che io sappia la ricerca non è mai giunta a nulla di significativo... (se qualcuno fosse più informato, ben venga). 

ITER ?!

DiegoT 30/9/2015 - 21:09

L'articolo potrebbe diventare ancora piu' interessante se commentasse, dal punto di vista di un insider, sullo stato dei noti problemi di gestione ed organizzazione del progetto ITER (si veda per esempio, http://www.newyorker.com/news/daily-comment/how-to-fix-iter, http://www.nature.com/news/five-year-delay-would-spell-end-of-iter-1.15621). Dal poco che ne so, ITER era (e'?) sull'orlo del fallimento ed e' universalmente e pubblicamente considerato come esempio di bad management/governance di grossi progetti scientifico-industriali.

Sai, io sono solo un ricercatore, non prendo nessuna decisione e non ho nessun incarico politico, quindi non ho accesso alla stanza dei bottoni. Questi discorsi più politici che tecnici sono off limits anche per me...

Quel che posso dire è che problemi organizzativi erano  ampiamente prevedbili,  nel senso che un'organizzazione così mastodontica che coinvolge UE, USA, Russia, Cina, India, Corea e Giappone non si era mai vista, e il fatto che in circostanze del genere la politica prevalga sulla scienza, beh, non è così sorprendente. Se poi la cosa poteva essere gestita meglio, può darsi, ma aspetterei almeno il 2020 prima di dare giudizi troppo netti.

Inoltre, le fonti che mi hai citato sono tutte fonti americane. Per qualche motivo a me ignoto, gli americani sono da sempre i più scettici nei confronti della fusione, dal progetto ITER sono già usciti e rientrati una volta, nei primi anni 2000 se non sbaglio - con notevoli disagi già ai tempi (si è dovuto rivedere il progetto nella sua interezza).

Ufficialmente, il progetto ITER va avanti, e noi lavoriamo ogni giorni nell'ottica ITER e DEMO, che vengono menzionati praticamente in tutti i lavori che il nostro istituto produce. Ogni tanto si rumoreggia di ritardi, ma di fallimento dell'intero progetto non ho mai sentito parlare.  Anche perchè, se vuoi una mia  personalissima e ufficiosissima opinione, in caso di catastrofe sono convinto che la Cina sarebbe pronta a sobbarcarsi da sola l'intero progetto...

Complimenti

Antony81 30/9/2015 - 23:07

Complimenti per l'articolo molto chiaro e comprensibile anche a un profano come me.

Sul motivo per cui gli USA siano scettici sulla fusione nucleare credo che ciò abbia a che fare con l'influenza delle lobby sulla politica statunitense.

a proposito dell' influenza delle lobby sulla fusione in america il mio punto di vista di uno che ha lavorato per 30 anni nella fusione in america e' che le grandi lobby hanno ben altro di cui occuparsi e che invece la crisi abbia radici molto piu' sostanziali:

A relatively recent example can be found in debates concerning the ITER. Marshall Rosenbluth, in the June 1996 issue of Physics Today, warned that not building the ITER would cause the U.S. program to fall behind the efforts of the rest of the world, both in the quest for fusion power and in plasma physics generally. Only the ITER would make possible the study of plasmas under more extreme conditions. Without direct experiments, the plasma-physics community would be left guessing: “the nonlinear physics and novel engineering issues of fusion are so complex that only a real experiment at the approximate parameters required for ignition will ever resolve them quantitatively.”

Taking the other side, Gary J. Weisel Phys. perspect. Andrew Sessler of Lawrence Berkeley National Laboratory and Thomas Stix of Princeton University worried about the unresolved physics questions in the design of the ITER and warned of “the negative impact on future research that would redound from a mechanical or physics failure in this single device.” They concluded that “the step is too large and the overall concept, for all its attractiveness, is both premature and overambitious with respect to current knowledge.”

Technical doubts and lack of political traction led the U.S. to cancel its involvement with the ITER in 1999, although the Bush Administration renewed it in 2003.

Concordo pienamente con Sessler and Stix, la fusione dovrebbe ritornare sul drawing board accademico delle universita', magari piu' nelle facolta' di ingegneria che non di fisica.

Non mi è chiaro dall'articolo se poi la produzione di energia elettrica avviene nel classico modo (il calore prodotto in qualche modo scalda dell'acqua acqua ed il vapore in pressione a sua volta fa girare turbine e da qui si produce energia con un alternatore) oppure se gli elettronVolt prodotti sono in qualche modo direttamente coinvogliati verso i cavi, pur trasformando un flusso continuo in uno alternato per ovvie necessità di distribuzione.

Scusa l'ingenuità della domanda ma concettualmente dato il pesante confinamento, che serve ad impedire che il calore del plasma distrugga l'involucro, non capisco come sottrarre calore al sistema. Non capisco nemmeno come eventualmente sottrarre gli elettronVolt.

PS: vedo ora che c'è un abbozzo di risposta in un intervento precedente ma ancora non mi spiego come sia possibile attingere calore dal sistema tanto da scaldare la "caldaia" (naturalmente esterna) senza danneggiare l'involucro stesso.

Ok, cerchero' di dare qualche informazione piu' precisa.

Intanto, una precisazione: nonostante il nome, l'elettronVolt NON e' un'unita' di misura elettrica, ma una misura dell'energia, come il Joule o la caloria. Anche se contiene "elettro" e "Volt" non c'entra nulla ne' con la tensione ne' con la corrente. Per dire, in fisica del plasma l'elettronVolt si usa spesso e volentieri per misurare le temperature...

Venendo al sodo: puoi immaginare il plasma come questa massa di gas carico e caldo ingabbiato da un campo magnetico al centro della camera a vuoto, lontano dalle pareti. Qualche cosa pero' dalla gabbia scappa, e precisamente ci sono tre tipi di perdite.

1. Radiazioni elettromagnetiche: ogni carica perde energia sotto forma di onde elettromagnetiche (luce, per cosi' dire) a seconda della temperatura. Un gas cosi' caldo irradia tantissimo (e non c'e' modo di bloccare la luce con campi magnetici).
2. Neutroni. La reazione nucleare deuterio + trizio produce un nucleo di elio e un neutrone (non l'ho detto prima per non complicare troppo la storia). Il neutrone non ha carica elettrica e dunque scappa dalla gabbia magnetica senza difficolta'.
3. Particelle cariche. La gabbia non e' perfetta, ognitanto qualche cosa scappa. Questo fra parentesi non e' neanche male, perche' permette di eliminare il gas "bruciato" dalla gabbia e iniettarne di fresco.

L'energia proveniente da queste tre sorgenti impatta a parete, e da essa deve venire rimossa tramite un qualche refrigerante (acqua o gas) che poi alimenta un ciclo termodinamico tradizionale.

Il problema del carico a parete e' che questa potenza, soprattutto a causa delle particelle cariche, non e' distribuita in modo omogeneo sulle pareti del tokamak, ma tende a concentrarsi in determinate regioni assai localizzate, causando picchi molto alti e potenzialmente pericolosi per l'integrita' dei componenti.

Quindi, il problema non e' l'energia a parete di per se' (anzi, quella ci piace). Il problema e' evitare che si concentri troppo in pochi centimetri quadrati.

Primo. Lockeed Martin ha recentemente annunciato di essere in grado di costruire un reattore a fusione in poco più di cinque anni, che nel settore dell'energia vuol dire domattina presto. Il sito non fornisce dettagli tecnici e non sono riuscito a trovare un paper peer reviewed; sarebbe logico accantonare la notizia insiema alle scie chimiche e all'abominevole uomo delle nevi, ma Lockeed Martin è una multinazionale quotata in borsa con un mercato ed una reputazione da difendere. Perchè mai dovrebbe inventarsi una sciocchezza simile, con la raglionevole certezza di essere sputtanata in pochi anni?

Secondo. L'università di Gothenburg ha annunciato risultati promettenti per una fusione a muoni, ed anch'essi si sono fissati un obiettivo di qualche anno. Qui i paper sono disponibili, ma onestamente non sono riuscito a capire granchè. Ci sono prospettive concrete, oppure è solo un elegante esercizio accademico?

Sul primo punto: guarda, tutti i miei colleghi danno la stessa risposta, cioe' che non e' possibile esprimere giudizi se questi non pubblicano nulla. Quel che ti posso dire e' che  le macchine lineari per il confinamento del plasma (come questa LM) sono un'idea vecchiotta (si chiamano anche "specchi magnetici" o "bottiglie magnetiche") che era stata scartata da tempo per le basse prestazioni. Quindi, o quelli della LM hanno trovato una soluzione efficace ai problemi noti - e non ce la dicono, oppure in queste condizioni e' difficilissimo capire cosa stiano facendo... Vedremo!

Sul secondo punto: conoscevo una fusione catalizzata a muoni (cioe' una fusione dove i muoni sono un "ingrediente") che aveva il grosso problema che l'energia per produrre i muoni era maggiore di quella che si otteneva dalle fusioni (i muoni sono brutte bestie, instabilissimi). Questo articolo - poco chiaro, se mi e' permesso - sembra dire che i muoni sarebbero un prodotto della reazione, e qui si va nel mistero fitto, fisicamente non riesco a immaginarmi nulla del genere! Sui neutroni, certo, la fusione deuterio + deuterio (che ho menzionato nel testo) non ne emetterebbe - e sarebbe bello. Ma lui la fa un po' tragica sui pericoli dei neutroni, il rischio di flash burn in un tokamak e' un'ipotesi remotissima.

Questi sono del MIT, e sostengono che la fusione si può fare in modo più semplice e più economico che con ITER. Dall'articolo si capisce che il nuovo reattore non c'è, e non c'è neppure un progetto dettagliato, ma solo un concetto. Ma i nuovi supermagneti ci sono già, oppure sono anch'essi solo un progetto?

...se confermata, beninteso...

Ma perchè dici nuovo concetto? Si tratterebbe di un tokamak in tutto e per tutto uguale a quelli già esistenti. L'unica cosa, questa nuova tecnologia consentirebbe di raggiungere dei campi magnetici più alti, cioè di confinare meglio il plasma a parità di dimensioni della macchina, o - meglio ancora - produrre la stessa potenza con una macchina più piccola, quindi meno costosa.

Purtroppo non è semplice valutare gli eventuali benefici derivanti da questa innovazione - ho cercato di far capire nel mio articolo che tutte le problematiche dei reattori a fusione sono profondamente interconnesse fra loro. Di certo impatta positivamente su potenza di fusione e tempo di confinamento, però impatta negativamente sulla durata della scarica (i motivi sono complicati da spiegare, diciamo che per motivi di stabilità se alzo il campo magnetico devo "accelerare" il transiente di corrente nel cosiddetto solenoide centrale, che limita la durata...)

Comunque grazie mille della segnalazione, speriamo sia confermata. Vado a caccia di articoli più dettagliati in proposito.

grandissimo articolo di enorme interesse.

detto questo, da profano ho tantissima curiosità di sapere come e se sarà effettivamente possibile (ovviamente non con le conoscenza attuali) gestire e controllare le elevatissime temperature che la fusione comporta (come dice si tratta di centinaia di milioni di gradi), dato che in qualche modo la fusione siamo riusciti più o meno a generarla per scopi bellici.

Detto spiccio, secondo lei possiamo/potremo sintetizzare materiali che resistano a tali temperature vista che quella della fusione fredda sembra essere solamente una chimera?

Grazie

mattia siccinio 1/10/2015 - 11:53

I complimenti si apprezzano sempre...

Venendo alla sua domanda, non c'e' speranza di sviluppare un materiale che resista a quelle temperature (il migliore al momento e' il tungsteno che resiste fino a quattro-cinquemila gradi).

Infatti l'approccio della fusione "calda" non e' quello di sviluppare materiali che resistano a quelle temperature, ma fare in modo che il contatto fra plasma e parete sia ridotto al minimo indispensabile. E ci siamo quasi, dai, un po' di ottimismo...

...

beppyz 1/10/2015 - 13:19

ho poi letto un commento fatto ad altro utente e visto che praticamente aveva già risposto.
complimenti ancora!!

Mi pare che alle tre caratteristiche della fonte energetica ideale (bassa emissione, alta densità, impiego di fonti reperibili in tutto il pianeta) se ne dovrebbe aggiungere una quarta, che è quella che rende il nucleare (convenzionale o a fusione che sia) particolarmente indesiderabile.
E' la compatibilità con la Generazione Distribuita.
Dato che è impensabile che privati si mettano dei Tokamak in giardino, il nucleare può essere solo compatibile con una generazione fortemente centralizzata; che dal punto di vista economico crea le condizioni per un imponente monopolio naturale, sia nel campo della generazione che del trasporto dell'energia; dal punto di vista ambientale produce tutti i noti problemi (e i costi indiretti) della costruzione e dell'esercizio di una massiccia infrastruttura di trasporto e di distribuzione.

A far preferire le "rinnovabili", e a creare perplessità attorno al nucleare, più che i timori di radiazioni o di incidenti tipo Fukushima, che possono aver influenzato solo i meno informati, furono considerazioni di questo tipo.
Naturalmente questa mia nota è di princìpio, bisognerebbe qui fare analisi con dati che ora non ho tempo di fare; ma la propongo comunque, chiedendole se abbia dimenticato o volutamente trascurato questo aspetto, o se secondo Lei la generazione centralizzata sia da preferirsi in ogni caso alla distribuita.

Dunque, che la fusione sarebbe realizzabile solo in grandi impianti molto centralizzati e' indiscutibilmente vero.

Quale sia preferibile fra distribuita e centralizzata, beh, e' un discorso complicato, la risposta esatta e' probabilmente un mix fra le due cose. Banalizzando, sarebbe bello che ogni casa avesse la sua microturbina, ma nelle energivore grandi utenze urbane la cosa non e' semplice, meglio a questo punto una produzione molto concentrata. Simili modo per le grandi utenze industriali. E anche i trasporti meriterebbero un'accurata riflessione...

Sui costi, non sono cosi' convinto che molte piccole utenze per forza di cose meno efficienti sarebbero meglio di una produzione centralizzata. Credo si debba valutare caso per caso, ma come detto, e' una questione complicata, e un'analisi dettagliata travalica le mie competenze.

Capisco

Nasissimo 1/10/2015 - 14:06

Un confronto dettagliato Distribuita/Centralizzata è estremamente complesso, dato il numero di variabili di cui si dovrebbe tenere in acconto. Quindi mi accontento della sua onesta risposta, di cui la ringrazio. Per i lettori di nFA però, forum centrato sull'economia, può essere importante ribadire che dal punto di vista economico nucleare significa monopolio (addio concorrenza) in un settore che è vitale adesso e lo sarà sempre di più in futuro.

Per conto mio posso dire (lavoro nei sistemi energetici e nelle reti elettriche) che i generatori distribuiti, specie se installati sfruttando con intelligenza fonti circostanziali, come ad esempio una turbina Pelton messa in un punto in cui si dispone di un flusso con caduta adeguata senza deviare corsi d'acqua, possono essere estremamente efficienti, e relativamente poco impattanti.

E posso dire che nell'esercizio delle reti elettriche, dai tralicci AT e MT fino alle palificate dei capillari BT (con tagli antincendio sui boschi) alle sottostazioni AT/MT, alle migliaia di cabine MT/BT e ai trasformatori montati su palo (con relative emissioni EMC e olio isolante da smaltire) il trasporto a distanza e la distribuzione dell'energia elettrica ha costi inimmaginabili, in termini ambientali, in termini economici, e in termini di vite umane, per la quantità di incidenti che si verificano.
E questo senza considerare le perdite: è ovvio che anche l'efficienza dei generatori va misurata e confrontata non ai morsetti d'uscita del generatore, ma all'ingresso del carico.

Inoltre non si potrebbe, come ora, avere un gestore della rete separato dai produttori di elettricita'?

si certo

Nasissimo 12/10/2015 - 15:15

Anche la rete è divisa tra rete di trasporto (gestita da Terna) e rete di distribuzione (gestita da Enel e municipalizzate varie). Sulla rete poi si allacciano i produttori, che sono molteplici e spesso privati, anche adesso. Le centrali idroelettriche da pochi kW fino al MW di potenza sono perlopiù private, e ce ne sono moltissime connesse alle reti MT.
Quello che facevo notare è che è molto improbabile che un reatore nucleare possa essere privato, o che possano essercene molti miniaturizzati da montare in cantina, quindi il nucleare per sua natura va nella direzione del modello centralizzato. Se ciò sia bene o male, dal punto di vista economico, io non lo so, ma chiaramente non va nella direzione della concorrenza. Lascio la domanda ai molti economisti che frequentano nFA.
Dal punto di vista ambientale, invece, qualcosa posso dire, lavorando spesso sulle reti elettriche. Le reti di trasporto e distribuzione dell'energia elettrica sono un residuo tecnologico della seconda metà dell'800. Se si dovessero costruire oggi, nessuna amministrazione autorizzerebbe mai una infrastruttura tanto impattante, inquinante e pericolosa. Non si rimuovono perché non si sa ancora bene con cosa sostituirle, e per quel fenomeno noto come "inerzia tecnologica" che come l'inerzia meccanica è proporzionale alla massa, qui degli investimenti che si dovrebbero sostenere.
Ma nella diffusione delle Smart Grid e della GD (Generazione Distribuita) molti hanno visto la possibilità di una riduzione progressiva dell'impiego e dell'estensione delle reti.
In una certa visione del futuro, La rete sarebbe una sola, la rete dati, con cui distribuire il controllo (sincronismi, sicurezza, ecc) anche delle reti elettriche, mentre l'energia sarebbe prodotta (ovvero convertita, da una fonte primaria rinnovabile disponibile localmente) sempre di più in prossimità del luogo in cui viene utilizzata.
Le reti elettriche andrebbero finalmente in pensione, non per essere sostituite con una nuova infrastruttura di trasporto, come la rete a Idrogeno immaginata da Jeremy Rifkin, foriera di nuovi costi e nuovi problemi, ma per essere semplicemente rimosse; restando in esercizio solo per particolari contingenti situazioni, bastando la rete dati (unica e wireless) a gestire e sincronizzare - se necessario - una gran quantità di piccoli generatori distribuiti in prossimità dei carichi.

La principale obiezione non-emotiva al nucleare è questa: il nucleare, pure quello a fusione, contrasta nettamente questa visione. Anche se disponessimo di reattori a fusione sicuri e super-efficienti, per valutarne costi e impatti ambientali si dovrebbe tener conto anche delle reti di trasporto, esercizio e distribuzione che le super-centrali richiedono, e delle relative perdite. Si ha la sensazione che invece i confronti si facciano senza tener conto del trasporto e della distribuzione: come si dice nel gergo degli impiantisti, ai morsetti d'uscita del generatore, e non all'ingresso del carico.

Anni fa avevo letto il libro di Rifkin, Economia all'idrogeno, e mi è sembrata - ingegneristicamente parlando - poco più che una fanfaronata. Introdurre l'idrogeno come vettore di energia al posto di quelli tradizionali, tra le altre cose, non risolve il nodo della produzione.

Penso anche io che la questione della distribuzione, con l'ipotetico avvento di centrali a fusione, non sia secondaria. Anche perché, come ben spiegato da Mattia (a proposito complimenti per l'articolo e le successivi integrazioni), queste centrali non sarebbero solo produttori di energia, ma in fase di avvio, anche consumatori. La rete mi sembra imprescindibile anche perché l'efficienza sarebbe massimizzata lavorando a cascata. Una centrale potrebbe essere accesa prima dello spegnimento di un'altra. Pensare di utilizzare sorgenti discontinue a basso impatto (eoliche o solari) per fornire lo spunto di avvio sarebbe infatti aleatorio.

Lasciando perdere le mie elucubrazioni (non sono un esperto dell'argomento), chiedo a chi ne sa qualcosa se volesse spiegarci bene (come ha fatto Mattia) il funzionamento, i vantaggi e le ricadute delle smart-grid e come queste possano sostituire i sistemi di distribuzione esistenti. A prescindere dai metodi di produzione.

allo stato dell'arte, non tanto per le difficoltà tecnologiche quanto per l'immensa inerzia tecnologica che richiede di superare. Servirebbe uno sconvolgimento epocale (una cosa tipo guerra mondiale) che distruggesse tutte le infrastrutture esistenti, per giustificare una simile transizione.
Dal punto di vista puramente tecnico delle difficoltà ci sono, ma sarebbero superabili. Proprio qui ad Arezzo alcuni anni fa si costruì il primo idrogenodotto in area urbana (un progetto pilota a cui partecipai) che dopo 10 anni è ancora in esercizio. Le maggiori perplessità riguardavano allora la tenuta delle condutture. Non esistendo "tubi da idrogeno" si utilizzarono tubature, giunti e guarnizioni progettati per il metano. La molecola di idrogeno però è centinaia di volte più piccola della molecola di metano, si temeva quindi che data la pressione si potessero avere delle perdite. La pratica sperimentale ha dimostrato che non è così. La pericolosità dell'idrogeno (crea rapidamente atmosfere esplosive) pure può essere gestita. Si dimostrò che non sono possibili ritorni di fiamma, data la volatilità (il gas è così leggero che si muove verso l'alto a velocità maggiore della fiamma che scende verso il basso).
Il limite tecnologico più importante allora era nelle Fuel Cells. Nell'indea di Rifkin, e di quelli che immaginano una economia dell'idrogeno, il gas sarebbe convertito in energia elettrica direttamente, non per tramite di una combustione. Ma le pile a combustibile più diffuse sono le pile a membrana a scambio protonico (PEM) che usano il platino come catalizzatore; e purtroppo il platino è una roba costosetta, il cui costo non si abbatte nemmeno con la produzione in volumi. Sapevo che ne sono allo studio altre di tipo ceramico, ma lavorano a temperature troppo alte ed hanno altri problemi. Non sono più aggiornato, ma riassumendo si può dire che la tecnologia dell'idrogeno sarà (forse) appetibile quando saranno disponibili pile a combustibile a basso costo di produzione ed esercizio.

Sul fatto che l'idrogeno come vettore possa risolvere o quasi il nodo della produzione, invece, ti sbagli. Il motivo principale per cui le rinnovabili sono utilizzabili solo a supporto di una produzione basata sempre sulle fonti "tradizionali" sta nella loro intrinseca aleatorietà. Non è la quantità di energia producibile il problema, quella ci sarebbe, ma il fatto che non c'è modo di produrre energia dal fotovoltaico quando non c'è sole o da una pala eolica quando non spira vento, mentre l'energia deve essere resa disponibile quando serve; e stoccare energia elettrica in accumulatori è talmente oneroso che per grandi quantitativi non si tenta neppure. 
L'idrogeno invece è un gas, e si può ben stoccare, in bombole o meglio in idruri. Si può produrre per elettrolisi da una molecola d'acqua, rilasciando ossigeno nell'atmosfera, quindi a impatto zero. Ha bassa densità energetica, è vero; ma nell'idea della GD se ne produrrebbero solo piccole quantità in prossimità degli utilizzatori finali. Prova a immaginare un piccolo paese, anche un insieme di villette o complesso residenziale, così attrezzato: impianti FV sui tetti, piccoli rotori eolici collocati nei punti migliori, una turbina Francis piazzata in prossimità del ruscello. Tutta l'energia in eccesso prodotta dai vari generatori nelle fasce orarie di basso consumo si converte in H2; il gas si accumula, e si converte di nuovo in energia elettrica solo quando serve. E' secondario qui che si distribuisca sotto forma di gas con un idrogenodotto e poi si converta, oppure se si converta prima e poi si distribuisca con piccoli elettrodotti, perché comunque questi elettrodotti sarebbero solo pochi cavi di bassa tensione per alcune centinaia di metri.
L'idrogeno in questo scenario farebbe da Volano di energia, non tanto da vettore, e renderebbe possibile il pensionamento (o perlomeno il ridimensionamento) delle "autostrade" dell'energia, i grandi elettrodotti AT e AAT, che saranno invece da potenziare - e in buona misura ricostruire - se si batterà la strada del nucleare.

Sulle Smart Grid potrei dire tante cose ma si andrebbe fuori tema. Si tratta per farla breve di trasmettere dati, assieme all'energia, nelle reti di trasporto e distribuzione, in modo da consentire la decentralizzazione della gestione. Le protezioni elettriche, ad esempio, non possono più essere solo relé elettromeccanici. Sono e saranno dispositivi elettronici, capaci di reagire al guasto in autonomia, ma anche di essere comandati a distanza e di comunicare il loro funzionamento e il loro stato agli altri dispositivi circonvicini, per chiudere/aprire stub di linea, riconfigurare anelli, sezionare porzioni automaticamente; in modo da allocare le risorse dinamicamente, e massimizzare efficienza e sicurezza, senza che sia necessario intervento umano.
Qualcosa di simile a quello che avviene con la rete dati, dove i Router di secondo livello instradano il traffico secondo le informazioni che raccolgono, e la topologia della rete si riconfigura continuamente per mantenersi in efficienza, senza che intervenga nessuno.
La transizione verso le Smart Grid è già in corso, in parte sono una realtà. E ai fini delle possibilità di passare progressivamente alla GD è molto importante che si disponga di una rete Smart, perché la gestione di Generatori Distribuiti è naturalmente più complessa di quella di una rete interamente passiva.

Fare un bilancio costi-benefici delle due futuribili alternative è impresa improba, non mi ci provo neppure. Dico soltanto che avendo a che fare spesso con elettrodotti e sottostazioni - ed essendomi trovato in passato a fare misure di emissioni EMC per conto di ARPAT anche in prossimità di linee elettriche - gli elettrodotti non li amo.

ed anche complimenti per la sincera passione che traspare dal Suo interesse per la materia. 

Non sono un 'tecnico', ma il tema costi/benefici e un...'master integrated plan' (approccio strutturato per l'implementazione) dovrebbero diventare realmente centrali nei prossimi anni, anche in ambito Europeo (avrebbero dovuto gia' esserlo da tempo; e non trascuriamo il tema inquinamento). Certo, l'elaborazione di dati richiederebbe un effort dedicato, e challenge.

Ma simili temi, insieme alla 'profitability', sono centrali. Senza avere timori, e paura di innovare.

http://www.forbes.com/sites/greatspeculations/2015/09/09/even-with-musks...

 So far, this goal has been extremely unprofitable, and the future profit outlook remains clouded. Nonetheless, SCTY is up over 300% since it went public in 2012, and the stock receives a four-star rating from Morningstar

Le mie poche conoscenze sul tema fusione, io che sono un ex biologo prestato all'informatica, risalgono alla lettura de "il dilemma nucleare" di Rubbia.

Li' si faceva notare che in via teorica (e prima o poi anche pratica) il processo di fusione non solo produce energia ma anche materia. Nell'articolo si parla di come il deuterio e il trizio si uniscano a formare un nucleo di elio. Ma il processo prosegue e tutta la tavola periodica degli elementi puo' essere prodotta. E lo è stata nel corso di miliardi di anni nel cuore delle stelle. Noi stessi, esseri viventi composti da atomi diversi, siamo letteralmente "polvere di stelle", prodotti dalla fusione nucleare in stelle poi esplose.

Se ricordo bene la spegazione di Rubbia fino al ferro il bilancio è positivo, nel senso che fino al ferrosi produce materia ma anche piu' energia di quella immessa. Oltre il ferro, nella tavola periodca, bisogna fornire piu' energia di quanta è ricavabile. Tuttavia se la fusione fosse un processo diffuso (abbondanza di energia) ci ci potrebbe provare. Gli amici economisti potrebbero provare a stimare gli effetti in un mondo dove non solo l'energia è a buon mercsto, ma pure gran parte delle materie prime.

Qualche aggiornamento su questo aspetto? Il libro è degli anni '90 e se la fisica non è cambiata, forse la tecnologia ha cose nuove da dire a proposito.

Sì, è corretto.

Fino al ferro, la fusione di due nuclei libera energia. Oltre il ferro, la fusione assorbe energia - e infatti per estrarre energia dagli elementi pesanti si fa fissione, cioè li si spacca, l'opposto della fusione...

Però in questo momento tutte le reazioni di fusione a parte deuterio-trizio sono ampiamente, enormemente, tragicamente al di fuori dalla nostra portata tecnologica (se non altro nell'ottica di produzione dell'energia). Non ci resta che l'ottimismo ;). 

(P.S. Ognitanto si legge sui giornali di macchine nucleari che usano il ferro o il nichel come combustibile nucleare. Il ferro assorbe energia sia in caso di fusione che in caso di fissione. Quindi, o questi hanno scoperto che l'intera fisica nucleare è sbagliata - e allora prenotino pure l'hotel a Stoccolma, perchè il Nobel è stragarantito - oppure tenderei a non fidarmi).

Se posso aggiungere qualcosa al commento di Mattia, la nucleogenesi avviene normalmente nelle stelle, a temperature e pressioni difficilmente riproducibili.

Senza entrare in dettagli, in generale le stelle iniziano a produrre elio da idrogeno, e mano a mano che l'idrogeno inizia a scarseggiare iniziano reazioni che portano a elementi più pesanti.
Fino al ferro. In realtà si producono anche piccole quantità di prodotti oltre il ferro, per cattura di neutroni lenti.
Il grosso degli elementi più pesanti si produce invece durante le esplosioni delle stelle nella fase finale della loro vita, quando diventano supernove.
Questi processi richiedono condizioni fisiche difficilmente riproducibili in laboratorio.

Questo non significa che non siamo in grado di "trasformare" gli elementi. Bombardando gli elementi con altre particelle, neutroni, protoni, altri nuclidi, siamo in grado di farlo. Sono stati per esempio "creati" così vari elementi transuranici non esistenti in natura.

Solo che tutti questi processi consumano più energia di quanta ne eventualmente producano.

L'accenno finale è dovuto al fatto che vi sono alcuni personaggi che sostengono di poter realizzare generatori di energia basati su una reazione di "probabile" origine nucleare che utilizza come elementi di reazione nichel e idrogeno. La maggior parte di questi personaggi è italiana, e alcuni sono anche (o sono stati) titolari di cattedre di fisica. Se a qualcuno interessa può cercare su Google utilizzando come parole chiave Focardi, Rossi, ecat.

In realtà ancora nessuno è riuscito a capire come dovrebbero funzionare queste reazioni. E nemmeno a replicarle in laboratori indipendenti. Cosa sospetta.

Come dice Mattia, il giorno che riuscissero a provare che questi sistemi funzionano il Nobel sarebbe assicurato.

per il bellarticolo. Come studente mancato di fisica, ne sento il fascino profondo.....

Quel 3.4% riferito alle rinnovabili  nell'articolo pero' non include le bioenergie - per cui la quota delle rinnovabili sulla fornitura di energia primaria globale e'circa il 10%.

Le bioenergie però non possono crescere più di tanto, pena deforestazione o simili (non emettono C02 - al netto - solo nel momento in cui brucio meno legna di quanta ne cresce nelle foreste). E comunque si tratta di combustione, quindi si producono varie emissioni "collaterali".

Sullo scetticismo, come dire, è lecito. Perfettamente lecito. Le problematiche ci sono (come detto, non mi pare la sede  per approfondire ogni punto), le incertezze sono tante. E dove le incertezze sono tante, si può dire quel che si vuole, sia in positivo che in negativo.

Ora però ITER è in costruzione, fra pochi anni sarà terminato. E lì arriveranno le risposte, inappellabili. Se non funziona, chiudiamo bottega. Ma interrompere adesso a cantieri aperti, mi sembra un plateale controsenso - siamo arrivati fin qua, facciamo la prova del nove. 

Tanto più che la storia dei soldi sprecati proprio non regge. Sono tanti soldi, è vero, ma divisi fra un numero enorme di nazioni. Mi ripeto, si tratta di circa di un euro pro capite all'anno. Non incide sul bilancio di famiglie e imprese - a differenza delle famigerate A3, che qui in DE sono ancora più alte, sfiorando i 65 Euro/MWh...

(O, se preferisci, ciò che UE, USA, Russia, Giappone, Cina, Corea e India insieme spenderanno per ITER è esattamente il costo preventivato del TAV Torino-Lione, in larga parte a carico della sola Italia...)

Buona serata e grazie! 

Grazie a te per la risposta. Per quanto riguarda le bioenergie secondo i dati dello scenario 2DS ETP della IEA - rimarrebbero circa 100 EJ di offerta potenzialmente utilizzabile al 2050 (attualmente siamo sui 50 EJ). Questa stima e'stata fatta tenendo conto di vari limiti quali disponibilita' di terreni, acqua, etc. Ovviamente concordo sulla necessita' di un 'portfolio' di tecnologie per ridurre le emissioni nel lungo periodo. Per quanto riguarda ITER non avremo da aspettare molto per avere un'idea piu'chiara- se non sbaglio si prevede 2022 plasma  2027 fusione D-T.  Subito dopo iniziera' la costruzione del DEMO in Korea o sbaglio?

DEMO

mattia siccinio 8/10/2015 - 14:01

Da dove hai preso la notizia della costruzione di DEMO in Korea? Temo sia un rumor - il mio tema di ricerca e' proprio la progettazione preliminare di DEMO, e non ho mai sentito nessuno dire che e' stato deciso un sito...

Anche perche' DEMO e' legato a filo triplo con ITER.  Se ITER delude le aspettative, ossia se non si arriva a Q = 10, semplicemente DEMO non si fara'. E - contro il mio interesse - devo dire che e' giusto cosi'.

DEMO

Daniele Poponi 8/10/2015 - 17:49

https://www.iter.org/newsline/255/1481

avrei dovuto scrivere "DOVREBBE iniziare la costruzione"

...di quest'articolo. A memoria io e Corrado Ruggeri chiedemmo in un thread altrove di scrivere qualcosa sulla fusione nucleare (tema caldo :)), mi ha fatto immensamente piacere leggere quest'articolo e i commenti successivi, quindi innazitutto complimenti vivissimi!

Non comprendo il motivo della paura "distribuzione accentrata", già oggi le centrali sono di proprietà di N soggetti, quello che penso è che le risorse finanziarie per costruire queste nuove centrali magari saranno nelle disponibilità di pochi, ma non è che potranno vendere l'energia a un prezzo x+n, laddove n sono degli extraprofitti, poichè si dovranno sempre scontrare con energie prodotte in altri modi, visto che  già oggi in alcuni momenti delle giornate estive la borsa elettrica va a 0(zero), a causa del fotovoltaico sussidiato, cosa che taglia fuori tutte le altre centrali di produzione, poi non vi dico di notte, quando i francesi non sanno letteralmente a chi regalare l'energia elettrica dei loro reattori a fissione... quindi da un punto di vista strettamente economico NON si costruiranno centrali per tutta l'energia richiesta in Italia, probabilmente solo alcuni soggetti erogatori si costruiranno la propria, ammesso e non concesso che si arrivi alla produzione di energia elettrica tramite fusione "calda".

Avendolo studiato posso tranquillamente affermare che le centrali a "biomassa" sono una cagata pazzesca, valide solo per gli incentivi che si portan dietro, e che i più accaniti sostenitori sono quelli che poi non vogliono gli inceneritori "perchè inquinano", quindi il futuro non è lì, ma dovrà esser per forza una qualche energia di tipo nucleare.

Ah se ITER dovesse fallire (sgrat,sgrat...)  sarebbe poi ora di ricominciare a parlare di fissione nucleare in Europa.

Oh, Mattia, tienici informati, non perdiamoci di vista (cit.)

Qui un aggiornamento. Personalmente non mi convince ma rispetto tutto l'impegno che ci stanno mettendo.

Posto che non sono un fisico, mi incuriosisce il fatto che questa "comunita'" di ricercatori che lavora sulla fusione fredda continui a spendere tempo e altre risorse su un processo che il 99% dei fisici mainstream definisce "fuffa". Questa (vera o presunta) anomalia dell'eccesso di calore sono ormai venticinque anni che ce la portiamo dietro. Sarebbe il caso di arrivare a chiarire definitivamente se si tratta solo di truffa o di orrori calorimetrici oppure l'anomalia dell'eccesso di calore e' "reale" e quindi merita piu'ricerca sperimentale. Oh no?

Un articolo (un po' vago) dell'Economist

In questo articolo del New York Times si parla di piccole e medie imprese che lavorano sulla fusione, non so con quale reali chances date le poche risorse di cui dipongono rispetto ai megaprogetti multi-statali come Iter e Wendelstein.

http://www.nytimes.com/2015/10/26/technology/start-ups-take-on-challenge...

Anche su TIME c'é un articolo lungo, ma sfortunatamente accessibile solo agli abbonati.

aggiornamenti

massimo 20/11/2015 - 16:27

altri che ci provano.

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