Nel dibattito globale sulla transizione ecologica, l’energia nucleare è tornata al centro della scena. Dopo essere stata per lungo tempo marginalizzata da costi elevati, timori per la sicurezza e opposizione pubblica, sono oggi principalmente tre i fattori che stanno alimentando la sua rivalutazione: l’urgenza della decarbonizzazione, l’instabilità geopolitica legata alle fonti fossili e, ultimo ma non per importanza, il potenziale delle tecnologie digitali nel rivoluzionare la progettazione, il controllo e la sicurezza degli impianti. E se a questo quadro si aggiunge il potenziale della fusione nucleare – la reazione che alimenta il Sole – il tutto diventa ancora più interessante.

Ma l’energia nucleare può rappresentare una soluzione vincente nel mix energetico a basse emissioni? E quali sfide restano aperte per il suo sviluppo sostenibile, accelerato anche dalla digitalizzazione? Domande che necessitano risposte, dalle quali passa molto della costruzione di un futuro Zero Carbon.

La fissione di oggi, la fusione di domani

L’energia nucleare rappresenta oggi una quota non indifferente dell’elettricità a basso contenuto di carbonio nel mondo: con oltre 400 reattori nucleari attivi, copre circa il 10% della generazione elettrica globale, e la percentuale sale a quasi il 20% nelle economie avanzate. In termini assoluti il nucleare è, dopo l’idroelettrico, la seconda fonte mondiale di elettricità a basse emissioni. A livello globale, la produzione nucleare è in leggera crescita e si prevede che, proprio nel 2025, raggiungerà il suo massimo storico grazie alla ripresa della produzione in alcune aree – come ad esempio in Giappone – e all’entrata in funzione di nuove unità in vari mercati tra cui Cina, India, Europa e Corea. Attualmente sono in costruzione oltre 60 reattori nucleari – pari a circa 70 GW di capacità – e oltre 100 sono pianificati in diversi paesi. L’interesse sembra dunque oggi essere in crescita, tanto che più di 40 paesi stanno valutando l’espansione o l’introduzione dell’energia nucleare nei loro mix energetici, per rispondere a necessità strategiche come la sicurezza energetica, la decarbonizzazione e la crescente domanda di elettricità.

L’attuale tecnologia nucleare si basa sulla fissione – il processo basato sulla divisione di atomi pesanti (come l’uranio) in reattori controllati – che resta centrale nel breve-medio periodo.

Su questo fronte, le tendenze tecnologiche puntano, in particolare, a migliorare costi e sicurezza: da un lato, si stanno estendendo i cicli di vita dei reattori esistenti, perché il prolungamento dell’operatività è tra le opzioni più immediate e convenienti per produrre elettricità a basse emissioni. Dall’altro, si stanno sviluppando reattori avanzati di Generazione IV e piccoli reattori modulari (SMR): una nuova ondata di innovazione che, in questo campo, promette maggiore sicurezza, minori costi unitari grazie alla modularità e flessibilità d’uso. Nonostante molte delle innovazioni previste potrebbero non vedere applicazione commerciale prima degli anni 2030-2040, la fissione rimane comunque l’unica forma di nucleare disponibile oggi su larga scala.

Le prospettive, però, si allargano considerando la fusione nucleare: il processo che alimenta il Sole, in cui nuclei atomici leggeri si uniscono rilasciando una grande quantità di energia.

Un processo teoricamente più sicuro, pulito e virtualmente illimitato, oggetto oggi di una corsa scientifica globale: riprodurre la fusione controllata con bilancio di energia positivo richiede infatti competenze di altissimo livello, e il livello di complessità tecnologica della sfida è tra i più elevati del panorama odierno. Nonostante ciò, negli ultimi anni la ricerca ha compiuto importanti progressi, tanto che diversi esperti concordano sul fatto che entro la metà del secolo potrebbe essere realizzato il primo reattore a fusione capace di immettere elettricità in rete.

Fusione nucleare, i grandi progetti in campo

Tra le strategie principali per ottenere una reazione di fusione nucleare controllata c’è il confinamento magnetico: una tecnologia che, all’interno di un reattore di forma toroidale – il dispositivo più sviluppato è il Tokamak – utilizza dei potenti campi magnetici per gestire il plasma a elevatissima temperatura nel quale avviene la fusione.

In questo ambito, negli ultimi anni, si sono ottenuti importanti risultati. Nel febbraio del 2022, ad esempio, il reattore JET (Joint European Torus) nel Regno Unito, è riuscito a produrre 59 MJ di energia in una finestra temporale di 5 secondi, equivalenti a una potenza di circa 11 MW: un risultato che ha nettamente superato il precedente record del 1997 – quando la produzione di energia si attestò a circa 22 MJ – dimostrando la capacità di mantenere condizioni di fusione stazionarie. D’altra parte, questa è una delle principali sfide aperte: il progetto internazionale ITER, ad esempio, punta a funzionare a 500 MW per almeno 400 secondi ininterrottamente, con 50 MW di potenza di riscaldamento immessa; non genererà elettricità, ma il suo obiettivo è proprio quello di dimostrare la fattibilità – scientifica e ingegneristica – della fusione a confinamento magnetico come fonte di energia pulita e su larga scala.

Tra gli altri progetti in campo per lo sviluppo di questa soluzione c’è poi SPARC, sviluppato da Commonwealth Fusion Systems, società spin-out del Massachusetts Institute of Technology: l’obiettivo è quello di dimostrare la produzione di energia netta da fusione, cioè quello di riuscire a produrre più energia di quella che serve per avviare e mantenere la reazione. Tutto Italiano è invece il progetto DTT (Divertor Tokamak Test) che, promosso dall’ENEA, punta a realizzare un dispositivo – il divertore – che ha lo scopo di creare una regione tra il plasma ad elevatissima temperatura e la parete in cui si può intervenire per controllare l’interazione. Progetti, questi, di cui abbiamo già avuto l’occasione di parlare in una intervista su questo canale, e ai quali anche Eni – una delle società italiane da più tempo attive nel campo della fusione magnetica – contribuisce attivamente.

L’alleato digitale del nucleare

Nell’affrontare queste sfide, il contributo delle nuove tecnologie digitali è e sarà sempre più centrale. Aspetti come la progettazione, il controllo, la sicurezza e l’ottimizzazione passano molto da questi strumenti innovativi, che consentono di gestire sistemi molto complessi con maggiore efficienza e affidabilità.

L’Intelligenza artificiale, ad esempio. Come detto, nei reattori a fusione il controllo del plasma è un aspetto di grande complessità, che richiede decisioni rapidissime e multidimensionali: ed è qui che recenti ricerche hanno dimostrato che gli algoritmi di machine learning sono in grado di apprendere come evitare instabilità pericolose nel plasma e assistere il sistema di controllo in tempo reale. È il lavoro portato avanti da un gruppo di ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory, che hanno evidenziato come il sistema AI, una volta addestrato con i dati sperimentali, possa reagire in pochi millisecondi – molto più velocemente di un operatore umano – regolando automaticamente i parametri del dispositivo di fusione per mantenere il plasma stabile.

Anche il concetto di digital twin si adatta bene in questo settore. Applicata al nucleare, questa tecnologia può consentire infatti di creare un modello virtuale dettagliato di un reattore o di un impianto, costantemente aggiornato con dati in tempo reale dell’impianto fisico: ciò permette di fare simulazioni predittive e test in un ambiente virtuale, migliorando sia la progettazione che l’operatività. La sua adozione apre, inoltre, la strada alla manutenzione predittiva, e offre un supporto decisionale agli operatori in situazioni complesse, migliorando la sicurezza e l’efficienza dell’impianto.

Altro strumento, potentissimo e cruciale, in questo ambito è il calcolo ad elevate prestazioni – High Performance Computing (HPC): il suo utilizzo può infatti permettere di accelerare i calcoli fisici complessi necessari per progettare nuovi reattori, o per testare scenari di sicurezza. Ma non solo. Un esempio interessante è quello di HPC6, il nuovo sistema di supercalcolo di Eni completato e avviato nel novembre dello scorso anno, il più potente al mondo per scopi industriali: l’azienda, infatti, impiega il potenziale di questo nuovo strumento – che ha un ruolo decisivo lungo tutta la filiera energetica – anche per simulare il comportamento del plasma nella fusione a confinamento magnetico.

Uno sforzo congiunto per un futuro sostenibile

Insomma, l’energia nucleare può essere un alleato di potenziale importanza strategica nella transizione verso un’economia a basse emissioni di carbonio. Tuttavia, il contributo che potrà effettivamente apportare dipenderà molto dalla capacità che il settore dimostrerà nel sapersi innovare, e nel rispondere alle critiche che storicamente gli vengono mosse: ciò significa ridurre di molto i costi e i tempi di costruzione degli impianti, ma soprattutto dare risposte concrete in tema di sicurezza e questioni ambientali per ottenere – e mantenere nel tempo – la fiducia da parte dell’opinione pubblica. Aspetti, questi, rispetto ai quali questa ondata di innovazione in corso – trainata anche dalle nuove tecnologie digitali – se indirizzata sul giusto sentiero, potrà contribuire a fornire il necessario supporto.

All’orizzonte, lo sviluppo della fusione nucleare potrà cambiare ulteriormente le carte in tavola. Se i principali progetti in corso avranno successo, l’umanità potrà disporre di una fonte di energia praticamente illimitata, pulita e con minori impatti a lungo termine: ciò non significa rimandare l’azione climatica nell’attesa di consolidare questa soluzione, ma piuttosto di continuare – contestualmente all’adozione di altre soluzioni sostenibili – a portare avanti gli enormi sforzi di ricerca e sviluppo che sono necessari in questo campo, come scommessa a lungo termine per dare alle future generazioni un’importante opzione energetica.

L’energia nucleare non è una panacea, ma uno degli strumenti più importanti nel portafoglio della lotta al cambiamento climatico. Il ruolo che avrà nella transizione dipenderà però dalle scelte che facciamo oggi, da come sapremo gestirne i rischi e valorizzarne i benefici: se innovazione e politiche riusciranno a colmare il gap di fiducia e a renderla economicamente e socialmente accettabile, potrà avere un ruolo di primo piano nel mix energetico del futuro. Con uno sforzo congiunto da parte di comunità scientifica, industria e istituzioni, l’energia nucleare potrà  dare un importante apporto nel raggiungimento degli obiettivi climatici globali, garantendo al tempo stesso sicurezza energetica e sviluppo sostenibile per le generazioni a venire.