L'ascesa delle startup commerciali della fusione: Breve storia della fusione

Co-autore: Richard Pearson - Consulente esperto, Tecnologia dell'energia di fusione

La fusione nucleare è ciò che alimenta le stelle e crea molti degli elementi che compongono il nostro universo. Una reazione di fusione avviene quando due elementi superano le forze fondamentali della natura per unirsi a temperature e pressioni elevate. Nel processo si libera energia, che può essere calcolata attraverso la famosa equazione di Einstein E=mc2. Si ritiene che l'energia di fusione abbia un potenziale significativo per sostenere un'economia a zero emissioni di carbonio grazie alle grandi quantità di energia rilasciate in ogni reazione, all'abbondanza di combustibile (isotopi di idrogeno), alla mancanza di sottoprodotti radioattivi a lunga vita e all'assenza di emissioni a effetto serra. Tuttavia, imitare le condizioni per la fusione, ricreando di fatto una stella sulla Terra, è una sfida.

Per gran parte del secolo scorso, gli scienziati hanno cercato di svelare i misteri della fusione nucleare. Le reazioni di fusione non controllate che producono energia sono state dimostrate sulla Terra durante i test sulle armi termonucleari negli anni Cinquanta; tuttavia, il raggiungimento di una reazione di fusione controllata che produca energia è rimasto da allora uno dei principali obiettivi scientifici. La maggior parte della ricerca e dello sviluppo si è concentrata su due approcci per ottenere la fusione: la fusione a confinamento magnetico (MCF), che utilizza potenti magneti per contenere e comprimere i combustibili di fusione sotto forma di plasma che viene poi riscaldato, e la fusione a confinamento inerziale (ICF), in cui i laser puntati su un bersaglio di combustibile creano istantaneamente le condizioni per la fusione. Una variante del reattore MCF, il tokamak, che utilizza magneti per comprimere un plasma all'interno di una camera centrale a forma di ciambella (toroidale), ha dimostrato un successo precoce e successivamente è salito alla ribalta come centro dell'attività di fusione in tutto il mondo.

Il progetto ITER, una collaborazione internazionale per la ricerca sui tokamak, ha ricevuto la maggior parte dell'attenzione nel mondo della ricerca sulla fusione dall'inizio del millennio. ITER è stato un processo importante per lo sviluppo della collaborazione internazionale nella ricerca scientifica. Tuttavia, sono emersi diversi nuovi approcci alla fusione che potrebbero muoversi più rapidamente e fornire opzioni commercialmente competitive entro due decenni.

L'ascesa delle startup della fusione commerciale

L'emergere di nuovi concetti di fusione e la migliore comprensione della fisica del plasma hanno portato alla creazione di numerose imprese commerciali di fusione finanziate privatamente. Le start-up commerciali della fusione nucleare sono apparse per la prima volta negli anni 2000(TAE Technologies, General Fusion, Tokamak Energy e altre), ma gli investimenti privati nella fusione hanno preso piede a metà degli anni 2010. Le start-up che si occupano di fusione stanno esplorando una vasta gamma di approcci concettuali alla fusione, come l'uso di magneti superconduttori ad alta temperatura per i tokamak e gli stellarator o attraverso cannoni a gas a proiettile ad alta velocità per l'implosione del bersaglio. Altri stanno sviluppando concetti di reattori del tutto unici, basati su un approccio noto come Magnetized Target Fusion (MTF) - a volte conosciuto come Magneto-Inertial Fusion (MIF) - che riunisce elementi di MCF e ICF.

Diversi approcci ora in fase di esplorazione sono stati teorizzati o sviluppati diversi decenni fa, ma erano al di fuori dei programmi di fusione tradizionali, che si concentravano principalmente sui tokamak. Il capitale privato ha modificato questo paradigma e, a febbraio 2020, gli investimenti di capitale privato in startup sulla fusione ammontavano a circa 1,5 miliardi di dollari, con investitori come Jeff Bezos, Breakthrough Energy Ventures e altri. Queste aziende finanziate privatamente si sono concentrate su concetti di fusione con potenziale commerciale e sul ruolo della fusione nel consentire un'economia a zero emissioni di carbonio.

Clean Air Task Force (CATF) Mappa di fusione globale

Verso la fusione commerciale

Sebbene alcune startup della fusione abbiano compiuto notevoli progressi, tutte sono ancora lontane dalla commercializzazione e si concentrano invece sulla produzione di un plasma stabile per dimostrare il pareggio della potenza di fusione. Tuttavia, affinché un reattore a fusione raggiunga la redditività commerciale, devono essere superate diverse sfide ingegneristiche e di commercializzazione. Ad oggi, il sostegno finanziario pubblico messo a disposizione degli sviluppatori della fusione commerciale è stato molto limitato. I programmi ARPA-E ALPHA, ARPA-E BETHE, INFUSE del Dipartimento dell'Energia e l'Advanced Modular Reactor (AMR) del Regno Unito hanno fornito un certo sostegno agli sviluppatori privati di fusione commerciale. Tuttavia, sarà necessario un sostegno pubblico molto più ampio e profondo per raggiungere la commercializzazione in tempi che possano avere un impatto sugli obiettivi climatici globali.

CATFIl progetto sulla fusione nucleare di mira a identificare le questioni non ancora esplorate relative alla fusione e le modalità di applicazione di un efficace sostegno pubblico e privato. Di conseguenza, il progetto sulla fusione di CATFcerca di trovare risposte ai seguenti quesiti:

• Quale potrebbe essere il ruolo della fusione nucleare nella decarbonizzazione del sistema energetico globale?
• L'energia da fusione nucleare può essere economica?
• A quali mercati dovrebbe rivolgersi lo sviluppo della fusione commerciale?
• Come dovrebbe essere regolamentata la fusione nucleare commerciale?
• La fusione nucleare commerciale comporta rischi di proliferazione nucleare e, in caso affermativo, come si possono affrontare?
• Quali politiche e programmi pubblici potrebbero facilitare lo sviluppo e l'ingresso nel mercato della fusione nucleare commerciale?
• Come possono essere applicati nel modo più efficace gli investimenti pubblici e privati nella tecnologia della fusione nucleare?
• Quali sono le sfide commerciali, come la produzione dei componenti, i materiali o i rifiuti, che potrebbero limitare la diffusione della fusione nucleare?