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Negli ultimi anni siamo stati abituati a leggere genericamente dello sviluppo di microreattori nucleari SMR (Small Modular Reactors) o AMR (Advanced Modular Reactors) di vari produttori nel mondo, laddove con tale terminologia ci si riferisce ai piccoli reattori modulari a fissione nucleare. Infatti, a parte le dimensioni ridotte, in essi si verifica sempre la stessa reazione che avviene nei comuni reattori nucleari: il nucleo atomico di un elemento chimico pesante, bombardato da un neutrone, viene diviso in nuclei di atomi più leggeri con conseguente emissione di una grande quantità di energia e altri neutroni che alimenteranno la reazione a catena. Nulla di concettualmente diverso rispetto a quanto accade in una comune centrale nucleare a fissione, per cui il problema dei rifiuti radioattivi, pur riducendo drasticamente il volume e la durata delle scorie, in qualche misura permane sempre.
Questo articolo si concentra invece sui microreattori a fusione termonucleare, impianti a fusione distinti sia dai grandi reattori sperimentali come ITER, sia dai reattori compatti commerciali da centinaia di megawatt come ARC di Commonwealth Fusion System. Ci si riferisce precisamente a dispositivi focalizzati su una taglia estremamente ridotta, spesso progettati per la modularità spinta, la portabilità e potenze inferiori ai 20-50 MW, dispositivi pensati per essere costruiti in fabbrica come blocchi preassemblati e trasportabili via camion, nave o aereo. Tale riduzione dimensionale è resa possibile da metodi di confinamento avanzati, materiali ad alte prestazioni e soluzioni ingegneristiche innovative, che ne consentono l’impiego in ambienti dagli spazi limitati, mentre la trasportabilità di tali reattori permette di superare le sfide logistiche legate all’approvvigionamento di combustibile e alla connessione alla rete elettrica.
Ci eravamo già imbattuti in qualcosa di simile quando negli anni ’60, l’inventore statunitense Philo Farnsworth (famoso anche per aver inventato la televisione elettronica) ideò e brevettò il Fusore di Farnsworth-Hirsch, un dispositivo da tavolo basato sul confinamento elettrostatico inerziale (IEC), il più vicino concetto storico di “microreattore a fusione”. Il fusore di Farnsworth utilizza griglie metalliche concentriche sottoposte ad altissima tensione per accelerare ioni di deuterio verso il centro di una camera a vuoto. Scontrandosi al centro ad altissima velocità, gli ioni si fondono, creando un nucleo più pesante e rilasciando energia e neutroni. Il Fusore realizza realmente la fusione termonucleare, ma non è in grado di produrre energia netta (non raggiunge cioè il Q > 1). L’energia elettrica consumata per alimentare le griglie è immensamente superiore a quella rilasciata dalle reazioni. Questo accade perché moltissimi ioni si schiantano contro le griglie metalliche perdendo energia sotto forma di calore e raggi X prima di riuscire a fondersi con altri ioni. Per questo motivo non è mai diventato una “mini-centrale” elettrica. E nonostante non possa alimentare la rete elettrica, l’invenzione di Farnsworth ha un ruolo industriale e scientifico tuttora rilevantissimo.
Senza alcun dubbio, dunque, i microreattori a fusione nucleare costituiscono una delle frontiere più affascinanti e ambiziose della ricerca energetica globale, coniugando il potenziale di un’energia pulita derivante dalla fusione con ingombri fisici drasticamente ridotti. Questi sistemi mirano a fornire energia sostenibile generando calore ad alta temperatura per raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione e anche in questo caso, la reazione è la stessa che avviene nei normali reattori a fusione termonucleare, una reazione in cui due o più atomi leggeri (tipicamente deuterio e trizio) si uniscono per formare un nucleo più pesante, l’elio, liberando un’enorme quantità di energia. E allo scopo di far unire i nuclei atomici e produrre energia si utilizza come sempre il plasma, quel gas caldissimo composto da ioni ed elettroni che viene appunto portato e temperature estreme. La differenza fondamentale tra un reattore grande (come un grande Tokamak sperimentale) e un microreattore non riguarda infatti il principio fisico della reazione o il tipo di combustibile, ma l’ingegneria, le dimensioni del sistema di confinamento e la portata termica gestita. Nel caso specifico dei microreattori, inoltre, l’approccio inerziale (spesso tramite laser o tecniche di fusione a bersaglio magnetizzato) è quello più attivamente studiato per miniaturizzare o rendere modulari i sistemi di generazione energetica.
Posto che nessun microreattore a fusione termonucleare (e più in generale, nessun reattore a fusione termonucleare di qualunque dimensione concepito per la produzione commerciale di energia) ha ancora raggiunto un guadagno energetico netto (𝑄>1), di seguito mi concentro sulle motivazioni che tuttavia ci inducono a perseguire il loro sviluppo.
I possibili impieghi industriali dei microreattori a fusione termonucleare sono infatti molteplici, e si concentrano principalmente sulla fornitura di calore ad altissima temperatura e flussi massicci di neutroni ad alta energia. I settori coinvolti dalle principali applicazioni sono quattro, a cominciare dalla chimica pesante e dalla petrolchimica. La produzione chimica richiede infatti enormi quantità di calore di processo che oggi viene ottenuto bruciando combustibili fossili. I microreattori a fusione operano a temperature accoppiate direttamente ai cicli termochimici. Parliamo soprattutto di produzione di idrogeno verde, che viene generato in modo estremamente efficiente attraverso lo split termochimico dell’acqua e che richiede temperature superiori agli 800-900 °C, difficili da sostenere stabilmente mediante energie rinnovabili. Sempre in ambito chimico va ricordata da Sintesi di E-Fuels e Ammoniaca. In tal caso il calore estremo permette la cattura diretta del carbonio e la successiva combinazione con l’idrogeno per creare carburanti sintetici per l’aviazione e il trasporto marittimo, oltre alla sintesi dell’ammoniaca per fertilizzanti su scala industriale senza emissioni di CO₂.
I microreattori a fusione trovano possibile applicazione anche nella metallurgia e nella siderurgia (il cosiddetto acciaio verde), un settore tra i più difficili da decarbonizzare (hard-to-abate). I microreattori a fusione sono in grado di effettuare la riduzione diretta del ferro, alimentando le fonderie e fornendo sia l’elettricità per i forni ad arco elettrico, sia l’idrogeno e il calore ad alta temperatura necessari per sostituire il carbon fossile (coke) nel processo di riduzione del minerale di ferro.
Inoltre, grazie all’emissione controllata di neutroni ad alta energia, questi microreattori fungono da strumenti di lavorazione atomica.
Nell’ambito dell’elettronica di potenza (es. per veicoli elettrici e infrastrutture di rete) essi sono utili nel drogaggio e nella trasmutazione neutronica dei semiconduttori impiegati nella produzione di silicio ad altissimo livello di purezza. Lo stesso dicasi per quanto riguarda i test di Resilienza dei Materiali, test che consentono alle industrie aerospaziali e della difesa di testare in loco la resistenza dei nuovi materiali (superleghe, ceramiche avanzate) a flussi radiativi estremi prima dell’applicazione reale.
Infine, va menzionato il fatto che l’estrazione di calore residuo (co-generazione) da un microreattore a fusione può alimentare impianti industriali di desalinizzazione termica dell’acqua marina a costi operativi quasi nulli, garantendo forniture idriche costanti a complessi industriali isolati o petrolchimici situati in aree aride.
E quanto ai progetti in essere?
Attualmente, nel panorama internazionale delle startup e dei centri di ricerca, spiccano alcuni prototipi e progetti reali che incarnano questa filosofia “micro”. Tra i diversi esempi possibili, la startup statunitense Avalanche Energy ha sviluppato Orbitron, un micro-reattore a fusione progettato specificamente per essere così piccolo da poter stare su una scrivania. Esso si basa su una tecnologia a confinamento prevalentemente elettrostatico, con l’ausilio di magneti esterni relativamente deboli. Questi generano un campo magnetico perpendicolare a quello elettrico (configurazione a campi incrociati o crossed-field) che serve a intrappolare e far co-ruotare gli elettroni. La presenza degli elettroni neutralizza la carica positiva degli ioni, permettendo al plasma di raggiungere densità molto più elevate senza respingersi.
Un secondo prototipo di interesse è C3, di proprietà della start-up israeliana nT-Tao, che lavora su un concetto di microfusione da circa 20 MW destinato all’alimentazione diretta di data center e industrie pesanti. La tecnologia impiegata utilizza una combinazione proprietaria di confinamento magnetico compatto e riscaldamento rapido del plasma. Il reattore completo è studiato per entrare all’interno di un comune container standard da trasporto. Uscendo dal mondo delle startup industriali, anche la ricerca accademica sta esplorando vie alternative per la fusione su piccolissima scala. L’esempio più eclatante è quello realizzato da un team della University of British Columbia dove i ricercatori hanno testato con successo un prototipo di reattore a fusione termonucleare che opera a temperatura ambiente e che trova spazio su un normale banco da laboratorio.
Ma va fatta a questo punto una doverosa precisazione. Mentre i progetti citati sopra puntano ad una reale miniaturizzazione, i reattori a fusione realizzati da aziende come Helion Energy (prototipo Polaris), Proxima Fusion (progetto Stellaris) o Commonwealth Fusion Systems (prototipo SPARC) rientrano nella categoria dei reattori compatti o centrali modulari, reattori con potenze dai 50 ai 400 MW elettrici e ingombri decisamente maggiori di quelli di un microreattore. Si tratta pur sempre di dispositivi caratterizzati da dimensioni drasticamente inferiori rispetto a un tokamak vero e proprio come ITER, con un volume plasmatico più piccolo e un peso complessivo notevolmente ridotto.
Tra i punti di forza dei microreattori a fusione va menzionata certamente la scalabilità industriale, per cui essi sono costruibili in serie in catena di montaggio e, come detto, facilmente trasportabili, ma anche la flessibilità di produzione, la capacità di affiancare reattori multipli per scalare la potenza in base al fabbisogno energetico locale. E infine la sicurezza, ovvero l’impossibilità fisica che si inneschino reazioni a catena incontrollate. Esistono tuttavia anche delle criticità correlate all’architettura con cui questi microreattori vengono realizzati. In particolare, il possibile danneggiamento da neutroni, poiché nei reattori ultracompatti si concentra un flusso neutronico molto elevato in una superficie ridotta, usurando i materiali interni più velocemente rispetto ai grandi reattori. Esiste inoltre la necessità di sviluppare “mantelli” (blanket) integrati nelle pareti del reattore per rigenerare il trizio usato come combustibile in quanto esso deve auto-sostenersi. Mentre il deuterio è infatti abbondante nell’acqua di mare, il trizio è un isotopo radioattivo dell’idrogeno con un tempo di dimezzamento breve le cui riserve naturali sono molto limitate, ma il suo approvvigionamento avviene direttamente nel reattore dallo stesso litio che è elemento abbondante e ampiamente disponibile.
Quanto ai vantaggi della fusione rispetto alla fissione essi sono ben noti, e includono una disponibilità di combustibile praticamente illimitata, combustibile come detto derivato da acqua e litio, la produzione di scorie radioattive minime e a breve vita, nonché un funzionamento intrinsecamente sicuro, privo di rischi di fusione del nocciolo. E sebbene la fusione sia stata storicamente considerata “sempre lontana 30 anni”, una forte accelerazione di investimenti privati — trainati soprattutto dalla necessità di alimentare i data center per l’intelligenza artificiale — ha nettamente accorciato le tempistiche delle start-up, per cui la commercializzazione dei primi impianti e microreattori a fusione nucleare è prevista tra il 2028 e la metà degli anni 2030.
Ma quali investimenti sono correlati oggi allo sviluppo dei microreattori nucleari o più in generale dei reattori cosiddetti “compatti”?
Pur non essendo disponibili dati certi relativi unicamente ai microreattori, nell’ultimo periodo il finanziamento aggregato della fusione nucleare per microreattori e reattori compatti ha vissuto una trasformazione epocale: si è passati da un modello quasi interamente statale a un ecosistema dominato dal capitale privato, supportato da partenariati pubblico-privati (PPP). I finanziamenti accumulati dall’industria privata della fusione si contano in numerosi miliardi di dollari, spinti dalla necessità di energia pulita e dalle necessità della tecnologia che evolve. Chiaramente la maggior concentrazione dei capitali di investimento nel settore si trova in Nord America e Asia, dove i quadri normativi semplificati attraggono la maggior parte del capitale privato.
L’AIEA stessa (International Atomic Energy Agency) ha riscontrato un massiccio aumento degli investimenti privati in reattori a fusione compatti e più snelli rispetto a progetti mastodontici come ITER. L’agenzia collabora attivamente con la Fusion Industry Association per stabilire linee guida di sicurezza e non proliferazione specifiche per questi nuovi design. Cito in particolare il progetto AI for Fusion (AI4F), mediante il quale l’AIEA promuove l’uso del machine learning per analizzare i dati provenienti dai piccoli dispositivi sperimentali sparsi nel mondo, cercando di risolvere i problemi di stabilità del plasma che frenerebbero i progressi della fusione commerciale.
Concludo con una riflessione molto semplice.
Le crisi climatiche ed energetiche sono tra le maggiori minacce che nel nostro tempo l’uomo si trova ad affrontare. Ecco perché è particolarmente importante accelerare subito la transizione verso un’energia pulita, sicura e sostenibile e l’energia da fusione è indubbiamente la risposta di un futuro sempre più vicino.
E sono proprio le più recenti tecnologie dei reattori compatti e dei microreattori a fusione che hanno le più concrete possibilità di raggiungere in tempi brevi il guadagno energetico netto, grazie a una combinazione di balzi tecnologici, agilità costruttiva e modelli di finanziamento privati. Per molte aziende essi rappresentano un’opportunità strategica per confrontarsi con una tecnologia trasformativa, e dunque supportare gli investitori privati in questo percorso è senza dubbio un modo efficiente per avvicinarci sempre più velocemente alla commercializzazione della fusione termonucleare, il Sacro Graal dell’energia del futuro.
Laura Luigia Martini
Strategic Business Advisor, Global Executive, MSC in Nuclear Engineering, Politecnico di Milano, SDA Bocconi Senior Executive Fellow.
