Nel 2020, i Canadian Nuclear Laboratories hanno consegnato cinque fusti di acciaio, rivestiti di sughero per assorbire gli urti, al Joint European Torus (JET), un grande reattore a fusione nel Regno Unito. All’interno di ogni fusto c’era un cilindro d’acciaio delle dimensioni di una lattina di Coca-Cola, che conteneva un filo di idrogeno gassoso, solo 10 grammi, o il peso di un paio di fogli di carta.
Questo non era idrogeno ordinario ma il suo raro isotopo radioattivo trizio, in cui due neutroni e un protone si aggrappano nel nucleo. A $30.000 al grammo, è prezioso quasi quanto un diamante, ma per i ricercatori sulla fusione vale la pena pagare il prezzo.
Quando il trizio viene combinato ad alte temperature con il suo fratello deuterio, i due gas possono bruciare come il Sole. La reazione potrebbe fornire abbondante energia pulita, non appena gli scienziati della fusione capiranno come accenderla in modo efficiente.
L’anno scorso, il trizio canadese ha alimentato un esperimento al JET dimostrando che la ricerca sulla fusione si sta avvicinando a una soglia importante: produrre più energia di quella che va nelle reazioni.
Raggiungendo un terzo di questo punto di pareggio, JET ha assicurato che ITER, un reattore simile alle dimensioni del doppio del JET in costruzione in Francia, supererà il pareggio quando inizierà a bruciare deuterio e trizio (DT) nel prossimo decennio. “Quello che abbiamo trovato corrisponde alle previsioni”, afferma Fernanda Rimini, esperta di operazioni plasma di JET.
Ma quel risultato potrebbe essere una vittoria di Pirro, stanno realizzando gli scienziati della fusione. Si prevede che ITER consumerà la maggior parte del trizio del mondo, lasciando poco per i reattori successivi.
I sostenitori della fusione spesso si vantano che il carburante per i loro reattori sarà economico e abbondante. Questo è certamente vero per il deuterio: circa uno su 5000 atomi di idrogeno negli oceani è deuterio e si vende a circa $13 al grammo. Ma il trizio, con un’emivita di 12,3 anni, esiste naturalmente solo in tracce nell’atmosfera superiore, il prodotto del bombardamento di raggi cosmici. Anche i reattori nucleari producono piccole quantità, ma pochi le raccolgono.
La maggior parte degli scienziati della fusione ignora il problema, sostenendo che i futuri reattori possano generare il trizio di cui hanno bisogno. I neutroni ad alta energia rilasciati nelle reazioni di fusione possono dividere il litio in elio e trizio se la parete del reattore è rivestita di metallo. Nonostante la richiesta nelle batterie delle auto elettriche, il litio è relativamente abbondante.
Ma c’è un problema: per generare il trizio è necessario un reattore a fusione funzionante e potrebbe non esserci abbastanza trizio per far ripartire la prima generazione di centrali elettriche. Le uniche fonti commerciali al mondo sono i 19 reattori nucleari Canada Deuterium Uranium (CANDU), che producono ciascuno circa 0,5 chilogrammi all’anno come prodotto di scarto e la metà dovrebbe andare in pensione questo decennio.
Secondo le proiezioni del piano di ricerca 2018 di ITER, le scorte di trizio disponibili, che oggi si pensa siano circa 25 chilogrammi, raggiungeranno il picco prima della fine del decennio e inizieranno un declino costante man mano che verranno vendute e decadranno.
Nel primo esperimento dell’ITER useranno idrogeno e deuterio senza produrre energia netta. Ma una volta che inizieranno i colpi DT a produrre energia, Alberto Loarte, capo della divisione scientifica di ITER, si aspetta che il reattore mangi fino a 1 chilogrammo di trizio all’anno. “Consumerà una quantità significativa di ciò che è disponibile”, afferma.
Gli scienziati della fusione che desiderano accendere i reattori in seguito potrebbero scoprire che ITER avrà già bevuto tutto il loro frullato. Ad aggravare il problema, alcuni credono che l’allevamento del trizio, che non è mai stato testato in un reattore a fusione, potrebbe non essere all’altezza del compito.
In una recente simulazione, l’ingegnere nucleare Mohamed Abdou dell’Università della California, a Los Angeles, e i suoi colleghi hanno scoperto che nel migliore dei casi un reattore per la produzione di energia potrebbe produrre solo poco più trizio del necessario per alimentarsi. Perdite di trizio o arresti prolungati per manutenzione intaccheranno quel margine ristretto.
La scarsità di trizio non è l’unica sfida che la fusione deve affrontare; il campo deve anche imparare a gestire operazioni instabili, esplosioni turbolente di plasma e danni da neutroni. Ma per Daniel Jassby, fisico del plasma in pensione dal Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) e noto critico dell’energia di fusione DT, la questione del trizio incombe.
Potrebbe essere fatale per l’intera impresa, dice. “Questo rende impossibili i reattori a fusione di deuterio-trizio”. Se non fosse per i reattori CANDU, la fusione DT sarebbe un sogno irraggiungibile. “La cosa più fortunata che accada per la fusione nel mondo è che i reattori CANDU producano trizio come sottoprodotto”, afferma Abdou.
Molti reattori nucleari utilizzano acqua normale per raffreddare il nucleo e “moderare” la reazione a catena, rallentando i neutroni in modo che abbiano maggiori probabilità di innescare la fissione. I reattori CANDU utilizzano acqua pesante, in cui il deuterio prende il posto dell’idrogeno, perché assorbe meno neutroni, lasciandone di più per la fissione. Ma occasionalmente, un nucleo di deuterio cattura un neutrone e si trasforma in trizio.
Se troppo trizio si accumula nell’acqua pesante può essere generare radiazioni pericolose, quindi ogni tanto gli operatori inviano la loro acqua pesante alla società di servizi pubblici Ontario Power Generation (OPG) per essere “detritizzati”.
OPG filtra il trizio e ne vende circa 100 grammi all’anno, principalmente come radioisotopo medico e per quadranti che si illuminano al buio e segnaletica di emergenza. “È davvero una bella storia di scarto di prodotto”, afferma Ian Castillo dei Canadian Nuclear Laboratories, che funge da distributore di OPG.
I reattori a fusione aumenteranno significativamente la domanda. Il vicepresidente di OPG James Van Wart prevede di spedire fino a 2 chilogrammi all’anno a partire dagli anni ’30 del 2000, quando ITER e altre startup di fusione hanno in programma di iniziare a bruciare trizio. “La nostra posizione è estrarre tutto ciò che possiamo”, dice.
Fusione e soluzioni alternative al trizio
Ma l’offerta diminuirà poiché i CANDU, molti dei quali di 50 anni o più, andranno in pensione. I ricercatori si sono resi conto più di 20 anni fa che la “finestra del trizio” della fusione alla fine si sarebbe chiusa di colpo e da allora le cose sono solo peggiorate. Inizialmente ITER doveva accendersi all’inizio degli anni 2010 e bruciare DT nello stesso decennio.
Ma l’inizio di ITER è stato posticipato al 2025 e potrebbe slittare di nuovo a causa della pandemia e dei controlli di sicurezza richiesti dai regolatori nucleari francesi. ITER non brucerà DT non prima del 2035, quando la fornitura di trizio si sarà ridotta.
Una volta che ITER avrà terminato i lavori negli anni 2050, rimarranno 5 chilogrammi o meno di trizio, secondo le proiezioni di ITER. Nella peggiore delle ipotesi, “sembrerebbe che il trizio non sia sufficiente per soddisfare la domanda di fusione dopo ITER”, ammette Gianfranco Federici, responsabile della tecnologia di fusione presso l’agenzia di ricerca EuroFusion.
Alcune società private stanno progettando reattori a fusione più piccoli che sarebbero più economici da costruire e, almeno inizialmente, utilizzeranno meno trizio. Commonwealth Fusion Systems, una startup del Massachusetts, afferma di aver già assicurato forniture di trizio per il suo prototipo compatto e i primi reattori dimostrativi, che dovrebbero richiedere meno di 1 chilogrammo di isotopo durante lo sviluppo.
Ma i reattori di prova più grandi e finanziati con fondi pubblici pianificati da Cina, Corea del Sud e Stati Uniti potrebbero aver bisogno di diversi chilogrammi ciascuno. Sarà necessario ancora di più per avviare il successore pianificato di EuroFusion di ITER, un mostro di macchina chiamato DEMO. Pensata per essere una centrale elettrica funzionante, dovrebbe essere fino al 50% più grande di ITER, fornendo 500 megawatt di elettricità alla rete.
I reattori a fusione generalmente necessitano di una grande fornitura di trizio all’avvio perché le giuste condizioni per la fusione si verificano solo nella parte più calda del plasma dei gas ionizzati. Ciò significa che molto poco del trizio nel recipiente del reattore a forma di ciambella, o tokamak, viene bruciato.
I ricercatori si aspettano che ITER bruci meno dell’1% del trizio iniettato; il resto si diffonderà fino al bordo del tokamak e sarà spazzato via in un sistema di riciclaggio, che rimuove l’elio e altre impurità dai gas di scarico, lasciando una miscela di DT. Gli isotopi vengono quindi separati e reimmessi nel reattore. Questo può richiedere da ore a giorni.
I designer di DEMO stanno lavorando su modi per ridurre le sue esigenze di avvio. “Dobbiamo avere un inventario di trizio di partenza basso”, afferma Christian Day del Karlsruhe Institute of Technology, leader del progetto nella progettazione del ciclo del carburante di DEMO. “Se hai bisogno di 20 chilogrammi per riempirlo, questo è un problema”.
Un modo per domare la domanda è sparare pellet di combustibile congelato più in profondità nella zona di combustione del reattore, dove bruceranno in modo più efficiente. Un altro è ridurre il tempo di riciclaggio a soli 20 minuti, utilizzando fogli di metallo come filtri per eliminare rapidamente le impurità e anche reimmettendo gli isotopi di idrogeno nella macchina senza separarli.
Potrebbe non essere un perfetto mix 50-50 DT, ma per un reattore funzionante sarà abbastanza vicino, dice Day. Ma Abdou dice che è probabile che l’appetito di DEMO sia ancora grande. Lui e i suoi colleghi hanno modellato il ciclo del combustibile DT per i reattori di produzione di energia, inclusi DEMO e i suoi successori.
Hanno stimato fattori, tra cui l’efficienza della combustione del carburante DT, il tempo necessario per riciclare il carburante incombusto e la frazione di tempo in cui il reattore funzionerà. In un articolo pubblicato nel 2021 su Nuclear Fusion, il team conclude che la sola DEMO richiederà tra 5 chilogrammi e 14 chilogrammi di trizio per iniziare, più di quanto sarà probabilmente disponibile quando si prevede che il reattore si accenderà negli anni 2050.
Anche se il team DEMO e altri progettisti di reattori post-ITER possono ridurre il loro fabbisogno di trizio, la fusione non avrà futuro se l’allevamento del trizio non funziona. Secondo Abdou, un impianto di fusione commerciale che produce 3 gigawatt di elettricità brucerà 167 chilogrammi di trizio all’anno, la produzione di centinaia di reattori CANDU.
La sfida per l’allevamento è che la fusione non produce abbastanza neutroni, a differenza della fissione, dove la reazione a catena rilascia un numero esponenzialmente crescente. Con la fusione, ogni reazione DT produce solo un singolo neutrone, che può generare un singolo nucleo di trizio.
Poiché i sistemi di riproduzione non possono catturare tutti questi neutroni, hanno bisogno dell’aiuto di un moltiplicatore di neutroni, un materiale che, quando colpito da un neutrone, ne restituisce due in cambio. Gli ingegneri hanno in programma di mescolare il litio con materiali moltiplicatori come il berillio o il piombo in coperte che rivestono le pareti dei reattori.
ITER sarà il primo reattore a fusione a sperimentare le coperte di allevamento. I test includeranno coperte liquide (miscele fuse di litio e piombo) e solidi “letti di ciottoli” (sfere di ceramica contenenti litio mescolate con sfere di berillio). A causa dei tagli ai costi, i sistemi autofertilizzanti di ITER rivestiranno solo 4 metri quadrati dei 600 metri quadrati interni del reattore.
I reattori a fusione dopo ITER dovranno coprire quanta più superficie possibile per avere qualche possibilità di soddisfare i loro bisogni di trizio. Il trizio può essere estratto continuamente o durante le fermate programmate, a seconda che il litio sia in forma liquida o solida, ma l’allevamento deve essere incessante. Le coperte riproduttive hanno anche un secondo lavoro: assorbire gigawatt di potenza dai neutroni e trasformarla in calore.
I tubi che trasportano acqua o elio pressurizzato attraverso le coperte calde raccolgono il calore e producono vapore che aziona le turbine che producono elettricità. “Tutto questo all’interno dell’ambiente di un reattore a fusione con il suo ultra alto vuoto, il bombardamento di neutroni e l’alto campo magnetico”, afferma Mario Merola, responsabile della progettazione ingegneristica di ITER. “È una sfida ingegneristica”.
Per Abdou e i suoi colleghi, è più di una sfida: potrebbe anche essere una cosa impossibile. La loro analisi ha rilevato che con la tecnologia attuale, ampiamente definita da ITER, le coperte da riproduzione potrebbero, nella migliore delle ipotesi, produrre il 15% in più di trizio di quanto consuma un reattore. Ma lo studio ha concluso che è più probabile che la cifra sia del 5%, un margine preoccupantemente piccolo.
Un fattore critico identificato dagli autori è il tempo di fermo del reattore, quando la riproduzione del trizio si interrompe ma l’isotopo continua a decadere. La sostenibilità può essere garantita solo se il reattore funziona per più del 50% del tempo, un’impossibilità virtuale per un reattore sperimentale come ITER e difficile per prototipi come DEMO che richiedono tempi di fermo per ritocchi per ottimizzare le prestazioni.
Se i tokamak esistenti sono una guida, dice Abdou, è probabile che il tempo tra i guasti sia di ore o giorni e le riparazioni richiederanno mesi. Dice che i futuri reattori potrebbero avere difficoltà a funzionare più del 5% delle volte.
Per rendere sostenibile l’allevamento, gli operatori dovranno anche controllare le perdite di trizio. Per Jassby, questo è il vero assassino. Il trizio è noto per permeare le pareti metalliche di un reattore e per sfuggire attraverso minuscole fessure. L’analisi di Abdou ha ipotizzato un tasso di perdita dello 0,1%.
“Non credo che sia realistico”, dice Jassby. “Pensa a tutti i posti dove deve andare il trizio” mentre si muove attraverso il complesso reattore e il sistema di ritrattamento. “Non puoi permetterti di perdere trizio.”
Due sforzi privati di fusione hanno deciso di rinunciare semplicemente al carburante al trizio. TAE Technologies, una startup californiana, prevede di utilizzare idrogeno e boro semplici, mentre la startup dello stato di Washington Helion fonderà deuterio ed elio-3, un raro isotopo dell’elio.
Queste reazioni richiedono temperature più elevate rispetto a DT, ma le aziende pensano che sia un prezzo che vale la pena pagare per evitare problemi di trizio. “L’esistenza della nostra azienda è dovuta al fatto che il trizio è scarso e fastidioso”, afferma il CEO di TAE Michl Binderbauer.
Le reazioni alternative di fusione hanno l’ulteriore attrattiva di produrre un numero inferiore o addirittura nullo di neutroni, il che evita il danno materiale e la radioattività minacciati dall’approccio DT. Binderbauer afferma che l’assenza di neutroni dovrebbe consentire ai reattori di TAE, che stabilizzano gli anelli rotanti di plasma con fasci di particelle, di durare 40 anni. La sfida è la temperatura: mentre DT si fonderà a 150 milioni di gradi Celsius, idrogeno e boro richiedono 1 miliardo di gradi.
Il carburante di deuterio di Helion e l’elio-3 bruciano a soli 200 milioni di gradi, ottenuto utilizzando anelli di plasma simili ai TAE ma compressi con campi magnetici. Ma l’elio-3, sebbene stabile, è raro e difficile da acquisire quanto il trizio. La maggior parte delle sue fonti commerciali dipendono dal decadimento del trizio, tipicamente da scorte militari.
Il CEO di Helion, David Kirtley, afferma, tuttavia, che aggiungendo deuterio extra nella miscela di carburante, il suo team può generare reazioni di fusione DD che generano elio-3. “È un sistema a costi molto più bassi, più facile da rifornire, più facile da usare”, afferma.
Tuttavia, i sostenitori della fusione DT convenzionale ritengono che le forniture di trizio potrebbero essere ampliate costruendo più reattori a fissione. I militari di tutto il mondo usano il trizio per aumentare la resa delle armi nucleari e hanno accumulato le proprie scorte di trizio utilizzando reattori nucleari commerciali appositamente costruiti o adattati.
Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE), ad esempio, fa affidamento su reattori commerciali, Watts Bar Units 1 e 2, gestiti dalla Tennessee Valley Authority, in cui le barre di controllo del litio hanno sostituito alcune di quelle al boro. Le bacchette vengono occasionalmente rimosse e lavorate per estrarre il trizio. Il DOE ha fornito PPPL con trizio negli anni ’80 e ’90, quando il laboratorio aveva un reattore a combustione DT.
Ma Federici non pensa che l’agenzia, o le forze armate di tutto il mondo, si occuperanno della vendita dell’isotopo. “È improbabile che le scorte di trizio per la difesa vengano mai condivise”, afferma. Forse il mondo potrebbe vedere una rinascita della tecnologia CANDU. La Corea del Sud ha quattro reattori CANDU e un impianto per l’estrazione del trizio ma non lo vende commercialmente.
La Romania ne ha due e sta lavorando a una struttura al trizio. La Cina ha un paio di CANDU e l’India ha costruito una manciata di derivati CANDU. La loro produzione di trizio potrebbe essere turbocompressa aggiungendo barre di litio ai loro nuclei o drogando il moderatore di acqua pesante con il litio.
Ma un articolo del 2018 su Nuclear Fusion di Michael Kovari del Culham Center for Fusion Energy e colleghi sostiene che tali modifiche probabilmente incontrerebbero barriere normative perché potrebbero compromettere la sicurezza del reattore e a causa dei pericoli del trizio stesso.
Alcuni affermano che i reattori a fusione potrebbero creare il proprio trizio di avvio funzionando solo con deuterio. Ma le reazioni DD sono estremamente inefficienti alle temperature del tokamak e invece di produrre energia consumerebbero enormi quantità di elettricità.
Secondo lo studio di Kovari, l’allevamento di trizio DD potrebbe costare 2 miliardi di dollari per chilogrammo prodotto. Tutte queste soluzioni “pongono notevoli difficoltà economiche e normative”, afferma Kovari. Nel corso dei decenni di ricerca sulla fusione, i fisici del plasma sono stati determinati a raggiungere il punto di pareggio e a produrre energia in eccesso.
Hanno visto altri problemi, come acquisire abbastanza trizio, solo ingegneria “banale”, dice Jassby. Ma mentre i reattori si avvicinano al pareggio, ingegneri nucleari come Abdou affermano che è ora di iniziare a preoccuparsi di dettagli ingegneristici tutt’altro che banali. “Lasciarli li fino a tardi sarebbe un enorme errore”.